Радиофизические методы измерения параметров сложных источником излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛУКИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктор физико - математических наук

Воронеж 1998

Работа выполнена на кафедре радиофизики Воронежского государственного университета

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Трифонов А. П. доктор технических наук, член - корреспондент РАН Бахрах Л. Д.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор физико-математических наук, профессор Литвинов О. С.

доктор физико-математических наук, профессор Нечаев Ю. Б.

Институт радиотехники и электроники РАН

Защита диссертации состоится «» 1998 г.

в час на заседании диссертационного совета Д 063.48.06 при

Воронежском государственном университете по адресу: 394693, Воронеж, Университетская пл. 1, ВГУ, конференц - зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского госуниверситета.

Автореферат разослан «_/£_» 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.К.Маршаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Радиофизические методы измерения параметров источников излучения имеют большое значение в различных областях науки и техники: в радиолокации, в технике физических измерений, в связи, в технике антенных измерений.

Основная задача при совершенствовании методов измерения -повышение точности. Развиваясь в этом направлении, для повышения точности оценки параметров источников излучения используют различные физические закономерности. В частности, помимо использования постоянства скорости распространения волн, в ряде работ в последнее время активно предлагается метод измерения параметров источников излучения использующий изотропность скорости распространения волн. Использование этого свойства среды распространения открывает новые возможности по измерению дальности до источников излучения и радиальной скорости, особенно в тех случаях, когда активное зондирование объекта невозможно. Однако точность оценки этих параметров предлагаемым методом на практике оказывается достаточно низкой. Малая точность оценки обусловлена как самим методом измерения, так и условиями применения модели поля точечного источника на практике. Действительно, источники излучения или переизлучатели волн, которые можно аппроксимировать полем точечного источника расположенного в изотропной безграничной среде встречаются достаточно редко. Поэтому вслед за предлагаемым методом появилась целая группа работ, в которых исследовалось влияние нарушения изотропности скорости распространения волн на сферическую структуру волнового фронта. Исследовалась анизотропия скорости распространения волн вызванная как сложной структурой источника излучения, так и флуктугциями параметров среды распространения волн. Во всех этих исследованиях анизотропия рассматривалась как фактор, снижающий точность оценки параметров точечного источника излучения.

Поле реального источника излучения или переизлучателя представляет собой чаще всего совокупность полей точечных излучателей.

Известно, что при наличии более чем одного источника излучения возникает анизотропия скорости распространения волн, которая приводит к отличию волнового фронта от сферического. Пренебрежение этими видом анизотропии приводит к так называемым дальномерным и угломерным шумам цели, которые значительно снижают точность оценки координат источника излучения. Аналогичная ситуация возникает при оценке координат даже точечного источника излучения, но расположенного у границы раздела двух сред. Возникающая при этом интерференция прямой и переизлученной волн вызывает искажение сферического волнового фронта и значительно снижает точность оценки координат точечного источника^ То же самое происходит и при расположении точечного источника в волноводе.

Для учета влияния в алгоритме оценки неоднородностей среды распространения волн на точность измерения параметров источников

о

излучения необходимо знание модели флуктуаций параметров среды, как во времени, так и в пространстве. В алгоритмах оценки используется либо усреднение по пространственно-временным флуктуациям среды либо адаптация к параметрам среды. При выполнении усреднения обычно используют лишь корреляционную функцию пространственно-временных флуктуаций, а получаемые при этом оценки параметров источников излучения имеют характеристики ограниченные радиусом корреляции. При адаптации к параметрам среды оценки таких ограничений не имеют, но для их реализации необходимо более полное знание о пространственно-временных флуктуациях параметров среды, а именно, желательно знать полное статистическое описание поля пространственно- временных флуктуаций.

Часто построение моделей флуктуаций параметров среды осуществляют путем аппроксимации наблюдаемых данных. Здесь ключевым вопросом является выбор • базисных функций для

аппроксимации. Обычно этот выбор осуществляют из математических удобств или по минимуму среднеквадратических уклонений выборочных характеристик, что далеко не всегда приводит к оптимальной, по числу параметров при заданной точности описания, модели. Кроме этого, при вышеупомянутом способе выбора базисных функций, методологически неясно как следует поступать при построении оптимальной модели флуктуации параметров сред. В дополнении к этим проблемам существуют вопросы по оценке корреляционной функции параметров среды распространения волн, времени корреляции, профилю показателя преломления дисперсионных сред.

Точность измерения углового положения источника излучения фазовым методом определяется отношением длины волны к поперечному размеру приемной апертуры. В практике измерений этот метод дает высокую точность оценки углового положения источника излучения. Однако, при больших длинах волн приемная апертура должна иметь внушительные размеры для обеспечения заданной точности измерения. Такая ситуация встречается, например, при оценке угловых координат источников излучения при ионосферном канале распрострааьккк в.лг Кроме этого, часто желательно иметь малые полеречин; размер;-приемных антенн, устанавливаемых на летательных и подводных аппаратах, при сохранении высокой точности оценки углового полсгггняя источника излучения.

Оценка параметров источников осуществляется за счет пространственной обработки их полей излучения. Для осуществления пространственной обработки полей в реальном масштаба времени необходима аппаратура, выполняющая быстрое сканирование полу по пространству и мало искажающая это регистрируемое поле. К этим требованиям наиболее полно приближается аппаратура, реализующая метод возмущенного поля с помощью матриц из электрически управляемых пассивных рассеивателей. Однако, имеющиеся конструкции матриц дают значительное фоновое перизлучение и тем самым вносят

искажения в измеряемое поле, снижая точность оценки параметров источников излучения. Например, при расположении совокупности возмущающих элементов в непосредственной близости от таких источников излучения как зеркальная антенна, фазированная антенная решетка структура их поля излучения меняется, если фоновое переизлучение достаточно велико. В связи с этим, для увеличения точности оценки параметров источника излучения, появляется задача снижения фонового переизлучения от матриц из управляемых пассивных рассеивателей.

Другие задачи, решение которых способствует повышению эффективности пространственной обработки полей источников излучения с помощью матриц из управляемых пассивных рассеивателей это создание оперативно перестраиваемого транспаранта и развитие методов оценки параметров источников излучения с использованием этих матриц.

Итак, выше был перечислен ряд задач, в которых возмущения вносимые в поле излучения источника его размерами, флуктуациями среды распространения, системой управляемых пассивных рассеивателей приводят к отрицательным эффектам снижающим точность оценки параметров источников излучения.

В то же время известно использование анизотропии в качестве положительных примеров повышения точности измерения, а именно использование диэлектрических'линз повышающих угловое разрешение, использование переизлучения волн ионосферной плазмой, позволяющее определять координаты удаленных источников излучения, диэлектрические вставки в рупорных антеннах улучшающие угловое разрешение, да и метод возмущенного поля обладает тем полезным качеством, что позволяет производить- сканирование пространственной области в реальном масштабе времени благодаря возмущающему действию управляемого рассеивателя. Поэтому анизотропия скорости распространения волн может повышать и понижать точность измерения

параметров источника излучения в зависимости от наличия информации об анизотропной среде.

Таким образом, является актуальным и представляет большую значимость для науки и практики дальнейшее теоретическое и экспериментальное исследование методов измерения параметров сложных источников, основанных на использовании контролируемой анизотропии скорости распространения волн, для повышения точности оценки их параметров.

В качестве объекта исследования рассматривается ряд методов учета влияния анизотропии скорости распространения волн на характеристики оценок параметров сложных источников излучения; учет влияния размера сложного источника излучения на точность оценки дальности и радиальной скорости; влияние границ раздела на точность оценки дальности до источника излучения; методы построения модели флуктуирующих параметров неоднородных и анизотропных сред; учет влияния неоднородных и анизотропных сред на точность оценки углового положения источника излучения; Методы и аппаратура, повышающая эффективности измерения параметров источников излучения.

Предмет исследования - радиофизические методы измерение параметров источников излучения.

Цель исследования. Разработка радиофизических методса измерения параметров сложных источников излучения повышающих эффективность и точность их оценки в реальных условиях распространения волн на основании учета контролируемой анизотропии скорости распространения волны.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

разработан метод измерения дальности до сложного источника излучения повышенной точности;

разработан метод измерения скорости сложного источника излучения повышенной точности;

разработан метод построения моделей флуктуирующих параметров сред ;

разработан метод измерения углового положения источника излучения повышенной точности;

разработаны методы и аппаратура для эффективного измерения параметров источников излучения.

Методы исследования. Для достижения цели исследования использовались "следующие теории и методы расчета: методы теории волн, теоретические основы электродинамики, методы статистической радиофизики, теория статистических решений, математическая статистика, теория случайных процессов и временных рядов, основы теории распространения волн в плазме, основные положение теории антенн; экспериментальные методы измерения : характеристик электромагнитного поля, параметров антенн, измерения в технике СВЧ.

Научная новизна. В работе разработан метод измерения оценки дальности до сложного источника излучения и показано, что точность оценки дальности может быть существенно повышена за счет учета анизотропии скорости распространения волн вызванной протяженностью апертуры источника излучения. Исследовано влияние априорной информации об источнике излучения на точность оценки дальности.

Разработан метод повышения точности измерения радиальной скорости сложного источника, основанный на методе измерения дальности.

Разработан метод построения модели флуктуирующих параметров сред. Для флуктуирующих параметров ионосферной плазмы спорадического слоя Е выполнено построение их моделей, которые верифицированы на экспериментальных данных станции вертикального зондирования ионосферы.

Разработан метод оценки корреляционной функции случайного процесса, основанный на предварительном построении модели случайного процесса. С помощью этого метода найдена функция корреляции флуктуаций амплитуды акустического сигнала в мелком море.

Разработан метод оценки профиля показателя преломления флуктуирующих сред. С помощью этого метода найден профиль показателя преломления дисперсионной среды, плазмы спорадического слоя Е ионосферы.

Разработан метод измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре волны, предварительно прошедшей через неоднородную или анизотропную среду.

Разработаны методы и аппаратура для эффективного измерения параметров источников излучения методом возмущенного поля. Предложены устройства повышающие точность оценки параметров источников излучения, в том числе и за счёт поляризационной развязки между полезным сигналом и фоновым переизлучением матриц из управляемых пассивных рассеивателей. На базе матрицы из управляемых пассивных рассеивателей предложен оперативно перестраиваемый транспарант, с помощью которого реализуется опорный сигнал при оптимальной пространственной обработке поля источника излучения.

Разработан эффективный метод измерения положения фазового центра антенн и сложных источников излучения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Выявлены физические факторы, влияющие на точность оценки параметров источников излучения, знание которых позволит построить устройства пассивной радиолокации, обеспечивающие повышенную точность оценки дальности, радиальной скорости за счет использования апертуры источника излучения. В случае отсутствия совместно эффективных оценок максимального правдоподобия алгоритмы оценки параметров источников излучения следует строить с учетом обобщенных обратных матриц.

Применение предложенного метода построения модели параметров среды распространения позволит экономно и точно описать флуктуации

.среды распространения и прогнозировать значения ее параметров. Этот метод можно использовать для построения моделей флуктуирующих электрических и акустических сигналов, голоса человека, прогнозирования социальных, экономических и финансовых изменений и т.д.

Полученные соотношения для расчета напряженности поля на пересеченной местности можно использовать для планирования сетей вещания и радиосвязи.

Метод измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля позволяет значительно уменьшить габариты приемной антенны при сохранении точности оценки углового положения источника излучения. Метод может найти применение в малогабаритных системах пеленгации, наведения, в системах подавления средств связи. ,

С помощью системы регистрации амплитудно-фазового распределения поля достаточно просто осуществляется оптимальная пространственная обработка поля, проводится настройка зеркальных антенн на максимум КНД и определяется фазовой центр излучателей. Разработанная аппаратура регистрации радиополей может быть применена для систем радиовидения, интероскопии, обнаружения полостей в строительных конструкциях, металлических предметов в диэлектрических средах и т.д.

Методы измерения и настройки антенн, естественно, могут быть использованы для настройки фазированный антенных решеток, для аттестации пеленгационных антенн, для оперативного контроля положения оси диаграммы направленности антенн в системах наведения и управления.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

I. Метод измерения дальности до сложного источника излучения , учитывающий анизотропию скорости распространения волны обусловленную протяженностью апертуры сложного источника излучения

2. Метод измерения радиальной скорости сложного источника излучения, учитывающий анизотропии скорости распространения волны обусловленную протяженностью апертуры сложного источника излучения.

3. Метод построения модели флуктуирующих параметров ионосферной плазмы спорадического слоя Е.

4. Метод оценки профиля показателя преломления флуктуирующей ионосферной плазмы.

5. Метод оценки корреляционной функции флуктуирующих параметров среды распространения волн.

6. Метод измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны предварительно прошедшей через неоднородную или анизотропную среду.

7. Методы и аппаратура для регистрации амплитудно-фазового распределения поля источника излучения, реализующие метод возмущенного поля.

8. Топографический метод измерения фазового центра сложного источника излучения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены г?. 3II, IV, V - Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение атекнкх измерений" (Ереван, 1984, 1987, 1990), на XI - Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие и физические метоля п средств?, контроля" (Москва, 1987), на Всесоюзной конференции "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой" (Москва,

1989), на XVI - Всесоюзной конференции по распространению рацкозолн (Харьков, 1990), на VI - Всесоюзной конференции по голографии (Витебск,

1990), на научно-технической конференции "Датчики и преобразокзтели информационных систем измерения контроля и управления" (Гурзуф, 1994).

на Международной конференции "Проблемы радиоэлектроники" (Москва, 1995), на Всероссийской конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны" (Воронеж, 1995), на XI -Международной конференции "Информатизация ' правоохранительных систем" (Москва, 1997), на II - Всероссийской научно-практической конференции "Охрана - 97" (Воронеж, 1997), на IV - Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж, 1998), на научных конференциях в Воронежском госуниверситете и ВВШ МВД России в период с 1984 по 1998 года.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 30 статьях (20 статей в центральной печати) и в 3-х авторских свидетельствах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа объёмом 415 страниц, включая 92 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 271 наименования. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в работе, их достоверность, практическая ценность, сведения об апробации и публикациях, а также положения выносимые на защиту.

В первом разделе работы рассматривается оценка параметров сложного источника излучения при известном распределении амплитуд и фаз излучателей.

Сложный источник излучения представляет собой совокупность известного числа точечных излучателей, взаимное расположение которых не меняется друг относительно друга и координаты каждого излучателя известны относительно начала системы координат связанной со сложным источником излучения. Координаты сложного источника излучения это

Рис. 1 Система координат О, в которой известно описание сложного источника

положение начала его системы координат относительно начала системы координат связанной с 1 областью наблюдения.

Геометрия задачи представлена на рис.1.

При выполнении условия пространственно-временной уз-кополосности для поля сложного источника излучения модель сигнала представляется совокупностью полей квазигармонических излучателей

г

М

где q- вектор неизвестных параметров источника излучения; Д-, фг-амплитуды и фазы излучателей; = ; (г,а) расстояние

от г-го излучателя до области наблюдения с координатами г .

Наблюдение сигнала E{t,r,q) производится на фоне тепловых шумов и шумов антенны n{t,r), которые ограничивают точность опенки параметров сложного источника излучения.

Для построения оптимальной обработки случайного ¡толч t(t,r,q) = E(i,r,q) + n(t,f), использован .метод максимального правдоподобия, который приводит к алгоритму измерения параметров вида

НА р

где =

ll=l i=l

, - матрица строка с элементами

xd(q) = Xj(q)cos<?i + Щ)5иш,-; 13

где Яеу = &,;.(<?) = 2гу(д)С05(ф,. -- 6^(9)501(9, -

т,- г Ту Тт,- = А^А - нормированная амплитуда излучателя,

Т, V - время наблюдения и объем области наблюдения, £2 - отношение сигнал-шум излучателя с единой амплитудой.

Оценка дальности получается по алгоритму А/(?) (¡у = {Л}) является несмещенной и характеризуется дисперсией

с — скорость распространения волн, со0 - центральная частота, г2 -отношение сигнал-шум; £/4, и% • момент амплитудного распределения

приемной антенны, , 1^2 " момент амплитудного распределения источника излучения; Иц - истинное значение дальности до сложного источника излучения. Как видно из выражения для Вр(Ят) дисперсия оценки дальности одинаково зависит как от параметров приемной антенны, так и от параметров источника излучения. Это обстоятельство позволяет значительно повысить точность оценки дальности за счет апертуры источника излучения. .

О

'.У=1

я

О у

и=1

Во втором разделе работы рассматривается оценка параметров сложного источника излучения при неизвестном распределении амплитуд и фаз излучателей. Размерность общего числа неизвестных параметров резко возрастает, но алгоритм измерения параметров сложного источника излучения А/(д) остается прежним, хотя содержание матриц г\е(д) и

меняется на ц(д)= \хх{Ц)Х2{д),...,Хи

у г 1-сш) Ост

; ОМ)=\Осц(я)\ е,(9)=|\QsiM\-, и=1р ■

Из всевозможных структур сложных источников излучения выделяют разрешаемые и неразрешаемые источники излучения. Для неразрешаемого сложного источника матрица £ - вырожденная . В этом случае в алгоритме измерения следует пользоваться обобщенной обратной матрицей в характеризации по Муру-Пенроузу. Эта обобщенная обратная матрица придает алгоритму измерения большую устойчивость. Оценки, получаемые с помощью матрицы (£ являются в общем случае И. -эффективными.

При неизвестном распределении амплитуд и фаз излучателей и при размерности вектора ц = {/?,6}, где 6 - неизвестное угловое лолоэкгчпе сложного источника излучения в случае разрешаемого источника точность оценки дальности характеризуется дисперсией вида

/)р(/д = д(/у(1+60/у I? С052 е0)~'

где/ - точность оценки дальности до точечного источника; Гуу -

"момент инерции" сложного источника относительно "центра тяжести" твердого тела с аналогичной структурой, в котором массы материальных точек пропорциональны нормированным амплитудам излучателей.

Из этого соотношения видно, что апертура источника излучения входит в точностную характеристику оценки дальности только через квадратичную характеристику и эффективность её использования для повышения точности оценки дальности уменьшается. При размерности

вектора неизвестных параметров ц = {Л, 9, ц/, , где ц/ - ракурс источника излучения, а к его масштаб, выигрыш в точности оценки дальности, по сравнению с точность оценки дальности до точечного источника, исчезает.

0,75

0,5

0,25

ж

/ / / \" Ч V2

У/ о/ о/

о/ Уз Ч. о

-4

0

5 -10"2

Рис. 2 Расчетные и экспериментальные значения выходного напряжения приемника при оценке дальности до двухточечного источника.

Если колебания излучателей являются не квазигармо-

ническими, а представляют собой узкополосный случайный процесс, то его временная структура не оказывает влияния на точностные характеристики оценки

дальности.

На рис.2 показан график изменения среднего'значения выходного напряжения Л/(5.), где 5 = (Я - _/?д)/Лс полученный различных размерах

<

<

>

Рис. 3. Реализация приемного устройства для обработки поля разрешаемого двухточечного источника излучения: 1 - генератор с двумя излучателями; 2 - двухточечный источник; 3 -

диэлектрическая линза; 4 -приемник излучения.

двухточечного излучателя на выходе приемника 4 изображенного на рис.3, при его перемещении относительно линзы 3. Из графика рис.2 виден рост изменения напряжения А/(5) с увеличением размера

двухточечного источника кривые 2, 3 по сравнению с одноточечным источником , кривая 1.

Имея точный способ измерения дальности, можно повысит и точность оценки радиальной скорости, выполняя её измерения косвенным способом. Отношение дисперсий оценки скорости по изменению кривизны волнового фронта до точечного источника, и с учетом анизотропии скорости распространения волн двухточечного источника, определяются соотношением

при размерности 9 = а>о}> гДе радиальная скорость

источника, ш0* центральная частота источника излучения.

Как видно- из приведенного соотношения с ростом отношения размера двухточечного источника излучения <3 к размеру приемной антенны Ъ выигрыш в точности оценки скорости может быть весьма значительным. *

Третий раздел работы посвящен построению моделей флуктуации параметров среды распространения волн.

Неоднородная и анизотропная среда, в которой распространяются волны, приводит к искажению фронта волны снижая точность оценки его параметров. В адаптивных методах измерения параметров источников излучения необходимо знание полной модели флуктуаций параметров среды распространения волн.

Модель, имеющая минимальное число параметров и хорошо описывающая флуктуации параметров среды распространения волн, может быть получена путем сочетания физических закономерностей образования параметра с методами математической статистики. Этот подход был реализован на примере построения модели флуктуирующих параметров спорадического слоя Е — частота экранирования Гв и предельная частота . Частота экранирования определяется

концентрацией плазмы. Концентрация плазмы в спорадическом слое Е образуется в следствии её перемещения и описывается уравнением непрерывности с правой частью пропорциональной вынуждающей силе ветровой компоненты, которая имеет стохастический характер. Описание параметра линейным дифференциальным уравнением гарантирует марковские свойства случайного процесса и позволяет найти из решения уравнения Фокера-Планка-Колмогорова одномерную плотность вероятности распределения концентрации и тем самым определить плотность вероятности параметра - частота экранирования соотношением

... ар/2ехр{-а/Л2-^2)

где а, р - параметры распределения; К ( • ) -- функция Макдональда. Сравнивая это распределение с гауссовским определяют нелинейное преобразование наблюдаемых данных. После нелинейного преобразования временного ряда данных применяют прямой метод описания случайного процесса, разделяя временной ряд на стационарную и нестационарную части с помощью фильтра с переменной полосой по достаточному критерию эргодичности.

Исходя из физических предпосылок, из прямого метода описания случайных процессов, выбирают класс уравнений, для описания стационарной части временного ряда..

Для временного ряда 1п/а(1) нестационарная часть имеет две гармоники а стационарная часть описывается процессом

авторегрессии Юла

где ы, е,-независимыеотсчеты.

Имея полное описание флуктуаций параметров среды распространения волн, всегда можно получить частную характеристику -корреляционную функцию. При таком подходе полностью снимается проблема оценки значений корреляционной функции при больших

1В

задержках и оценка времени корреляции флуктуации параметров среды распространения волн.

Профиль показателя преломления флуктуирующих дисперсионных сред, таких как ионосферная плазма, можно определить путем накопления данных о прохождении квазигармонического сигнала при наклонном падении волны на ионосферный слой с частотой выше средней плазменной частоты. Этот метод дает хорошие результаты по' точности оценки профиля показателя преломления дисперсионных сред , если воспользоваться методом проверки статистических гипотез о виде и параметрах профиля показателя преломления.

В частности для ионосферной плазмь; спорадического слоя Е установлено, что профиль показателя преломления представляет собой переходной слой Эпштейна и имеет размеры переходной области порядка десятка метров.

В четвертом разделе диссертационной работы определяются параметры источников электромагнитных волн прошедших флуктуирующую среду или располагающихся над шероховатой границей раздела двух сред.

На основании метода оценки параметров источника излучения путем учета контролируемой анизотропии, предложен метод оцевкч углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны предварительно прошедшей через неоднородную или анизотропную среду с неизвестными параметрами.

Алгоритм измерения углового положения источника, полна которого прошла через гиротропную среду по-прежнему определяется но

меняется содержание матриц г| и 2 , которые в данном случае выглядят так

т

т

о

о

где М0 - спектральная плотность белого пространственно - временного шума; - матрица реализаций сигнала в линейном

поляризационном базисе;

5 =

S.xs S

Sys

~Sxs S ' Ус 1

II feos m4sin

где щ,р[, У/, ф/ - амплитуды и фазы волн в канале приемника работающего в линейном поляризационном базисе; т;, х2- временная задержка обыкновенной и необыкновенной волн гиротропной среды.

Точность измерения углового положения источника излучения по этому методу характеризуется дисперсией

у-2

z а к д&2 да, ;0i=02=eo

где 0О- истинное значение углового положения источника излучения.

D(aj| 10

1

0.1 0.01

-3

мо

МО

i\V/i í

J

V 2/

0.2 0.4 0.6 0.8

1.2 1.4 а

Рис. 4 Зависимость дисперсии О оценки углового положения источника излучения от направления магнитного поля для окна прозрачности плазмы и< 1 и у<1-Л , и = 0.01; 1 - у = 0.7 ; 2 - V =0.85 ; 3 - V = 0.8999 .

Выражение для дисперсии оценки углового положения источника излучения показывает, что точность оценки зависит от разности производных временных задержек обыкновенной и необыкновенной волн, которая приобретается при прохождении слоя гиротропной среды расположенной перед приемной антенной. Из этого соотношения также видно, что дисперсия оценки углового положения не зависит от размеров приемной антенны, за исключением одного сомножителя г1- - отношения сигнал - шум.

График зависимости дисперсии оценки углового положения источника излучения от угла между волновым вектором и гиротропной осью замагниченной плазмы а для длинны волны равной 0,3 м, 9о=0,

г2 =20, и толщины плазмы равной 1м, показан на рис.4, для трех значений параметров плазмы, характеризуемых отношением плазменной частоты к частоте сигнала и и отношением гирочастоты сигнала к частоте сигнала V. Для сравнения, фазовый метод измерения с антенной метрового размера в поперечном к' волновому вектору направлении при прочих равных

условиях дает значение дисперсии

Этот метод измерения углового положения источника излучения был проверен как в лабораторных условиях, так и при приеме сигналов по ионосферному каналу через спорадический слой Е. Ионосферная плазма лежащая ниже спорадического слоя Е является гиротропной средой осуществляющей изменение поляризационной структуры принимаемой волны в зависимости от географических координат источника излучения. Экспериментальные данные значений магнитного азимута источников излучения и магнитного азимута определяемого по географическим координатам средней точки трассы при расположении точки приема с координатами 52,6° N. 38.8°Е представлены в табл.1. Источники излучения -телестанции указанных городов. Данные приведенные в таблице показывают взаимозависимость экспериментальных и географических угловых координат

координат, несмотря на использование усредненных характеристик ионосферной плазмы.

Пятый раздел работы посвящен оценке параметров источника излучения с помощью метода возмущенного поля.

Здесь предлагаются конструкции аппаратуры реализующей метод возмущенного поля с помощью матриц из управляемых пассивных рассеивателей с малым искажением измеряемого поля за счет Табл. 1. Географические координаты точек излучения и оценка азимута

7 1 . 2 3 4 5 • 6

Пункт излучения сигнала Грейпстад (Норвегия) Копенгаген (Дания) Прага (Чехия) Быдгощ (Польша) Любляна (Словения) Бари (Италия)

Географические Координата, гра/ N 58.15 55.17 50.10 53.3 46.06. 41.01

Е 8.00 10.3 14.40 28.4 15.10 16.13

Расстояние до пункта приема, Я, км. 2023 1940 1745 1387 1856 2141

Координаты средней точки, град N 56.3 54.7 52.0 53.3 50.0 47.4

Е 24.5 25.0 26.3 28.4 25.8 26.7

Магнитный азимут средней точки у, град 106.6 95.78 75.5 85.12 64.6 48.6

Частота излучения 1, МГц 48.25 55.25 49.75 49.75 55.25 55.25

Экспериментальная Разность фаз Фху> град 115+2.95 55+1.29 10.5 +0.75 3+0.58 97±1.16 135+4.4

Экспериментальн ое значение магнитного азимута, град 112±0.1 91.15±0.05 70.1 ±0.08 86.7±0.6 65.5±0.01 41.7 ±0.05

поляризационной развязки между фоновым переизлучением и предметным сигналом, а также с помощью специальной конструкции матрицы из управляемых пассивных рассеивателей. На базе матриц из управляемых пассивных рассеивателей, предложено устройство, реализующее в системе оптимальной пространственной обработки поля опорный сигнал, управляемый транспарант работающий в реальном масштабе времени.

С использованием матриц из управляемых пассивных рассеивателей реализован метод измерения коэффициента направленного действия зеркальной антенны по значению поля в ближней зоне, точность которого характеризуется фазовой ошибкой на краю зеркала

А(р = к(л1г2+82 + 2г5созЧ/-г|,

где г=/^74 + (/-^/16/)2; ^=агс5т(Ь/2г); 5 = 3а,/2/((/^-/)2-9а,2) сг2 = 180А.275()Д:г222£?|; /- размер апертуры зеркальной антенны и её

фокусное расстояние; Ид - предполагаемая, точка фокусировки антенны.

Предложен эффективный топографический метод измерения координат фазового центра сложного источника излучения, позволяющий определять его координаты путем регистрации двумерной голограммы в заданной плоскости или плоскостях, без отыскания эквифазной поверхности поля излучения.

В заключение работы приводятся обобщения и выводы по результатам диссертационных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен метод повышения точности оценки дальности до сложного источника излучения основанный на учете анизотропии скорости распространения волн, обусловленной апертурой источника излучения.

2. Исследовано влияние априорной информации на возможность учета анизотропии скорости распространения волн:

а) если известна структура источника излучения и распределение . амплитуд и фаз излучателей, то точность оценки дальности одинаково зависит как от размеров апертуры антенны, так и от размеров апертуры излучателя;

б) если неизвестными параметрами источника излучения одновременно являются угловое положение, угол ориентации, масштаб то точность оценки дальности равна точности оценки дальности до точечного источника, но оценка получается несмещенная даже при малоразмерном источнике излучения;

в) если неизвестно распределение фаз и амплитуд излучателей сложного источника излучения, и он является неразрешаемым, то алгоритм измерения следует строить, используя обобщенную обратную матрицу в характеризации по Муру-Пенроузу;

г) точность оценки дальности до малоразмерного источника излучения можно повысить, если увеличить на известную величину его угловое положение относительно превоначального ориентира;

д) структура случайного процесса, излучаемая сложным источником практически не влияет на точность оценки дальности, в том числе и для неразрешаемых источников излучения, при выполнении условия пространственно-временной узкополосности.

3. Предложен метод повышения точности измерения радиальной скорости источника излучения основанный на косвенном методе измерения, путем регистрации 'дальности в два момента времени. Точность оценки скорости до сложного источника повышается из-за увеличения точности оценки дальности.

4. Для учета влияния сред на изотропность скорости распространения волн предложен метод описания флуктуирующих параметров сред. Метод основан на использовании физических закономерностей для выбора функций аппроксимирующих наблюдаемые данные. Положения метода апробированы при построении модели флуктуирующих параметров плазмы ионосферного спорадического слоя Е, что привело к следующим результатам:

а) одномерная плотность вероятности параметра спорадического слоя Е, частота экранирования, полученная на базе уравнений

описывающих формирование этого параметра наиболее точно аппроксимирует значения этого параметра;

б) на основании физических соображений о механизме формирования флуктуаций параметра частота экранирования выбран класс авторегрессионых процессов, которые полностью описывают временные изменения флуктуационных процессов этого параметра. Предложенный метод описания позволяет прогнозировать значения флуктуирующих параметров среды распространения волн, а значит и > учитывать их влияние на изотропность скорости распространения волн при оценке параметров сложных источников излучения.

5. Предложен метод оценки корреляционной функции флуктуаций параметров среды распространения волн, знание которой необходимо при формировании алгоритма оценки параметров сложных источников излучения. Метод основан на вышеприведенном способе построения полной модели флуктуаций с последующим вычислением корреляционной функции.

6. Для флуктуирующих сред предложен метод измерения показателя преломления, основанный на статистике наблюдения переизлученных волн, при наклонном падении первичной волны на среду. Метод позволяет повысить точность оценки профиля показателя преломления дисперсионных сред. На основании этого метода найден профиль показателя преломления спорадического слоя Е, который относится. к профилю Эпщтейна переходного типа.

7. На основе принципа учёта контролируемой анизотропии скорости распространения волн, при выполнении измерений параметров источников излучения, предложен метод оценки углового положения источника излучения. Для реализации метода, перед антеннами, реализующими поляризационный базис, располагают анизотропную или неоднородную среду. Точность оценки углового положения в этом способе определяется параметрами среды и длинной взаимодействия волны с веществом среды.

8. Предложены методы и аппаратура для регистрации амплитудно-фазового распределения поля сложного источника излучения:

а) устройство • для снижения фонового лереизлучения многоэлементных структур из управляемых пассивных рассеивателей;

б) устройство для-оптимальной пространственной обработки полей, позволяющее в реальном масштабе времени менять структуры пространственного опорного сигнала;

в) аппаратура и метрологические характеристики однородности фазовой структуры поля сложного источника, позволяющая оперативно и с заданной точностью настраивать зеркальные антенны и фазированные антенные решетки;

г) голографический метод определения фазового центра сложных источников излучения, позволяющий оперативно находить их эффективный фазовый центр без определения положения эквифазной поверхности волны источника излучения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. А.Н. Лукин. Потенциальная точность оценки дальности до двухточечного источника // Обработка пространственно-временных сигналов. -Воронеж, ВГУ, 1983.

2. А.Н. Лукин. Потенциальная точность оценки дальности до линейного источника при пространственно-временной обработке сигналов. // Проблемы радиолокации протяженных объектов. - Свердловск, 1983.

3.А.Н. Лукин, И.Ф. Струков, Ю.И. Гридин. Управляемые пассивные рассеиватели в схемах записи радиоголограмм // Сборник трудов IV

.Всесоюзной конференции по голографии. - Ереван, 1982. Т. 1.

4. А.Н. Лукин, И.Ф. Струков, Ю.И. Гридин. Голографический метод определения фазового центра антенн. // Антенные измерения. Тезисы докладов. - Ереван, 1984.

«

5.А.Н. Лукин, А.П. Трифонов. Об измерении дальности до источника излучения // Вопросы радиоэлектроники. Серия, Общие вопросы радиоэлектроники.-1984. Вып. 13.

6. Лукин А.Н., Гридин Ю.И., Струков И.Ф. Авт. св. №1156138. Источник питания для управляемого транспорта // БИ, 1985. № 18.

7. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Авт. св. №1188677. Устройство для регистрации пространственного распределения электромагнитного поля // БИ, 1985. №40.

8. А.Н. Лукин, А.П. Трифонов. Оценка параметров сложной цепи при пространственно-временной обработке сигналов. //Радиотехника и элехтроника, 1986, т.31, №5, с.883 - 890.

9. А-.Н. Лукин, А.П. Трифонов. Оценка параметров сложной разрешаемой цепи при пространственно-временной обработке сигналов.// Радиотехника и электроника,1986, т.31, №5, с.1020 - 1032.

10. А.Н. Лукин, Ю.И. Гридин, И.Ф. Струков. Устройство регистрации радиоголограмм и радиоизображений в реальном масштабе времени.// Приборы и техника эксперимента, 1986. №4,с.118-120.

11. А.К. Лукин, И.Ф. Струков. Датчик электромагнитного пол« с поляризационной развязкой // Труды Всесоюзной конферетщии, В1САИ-4,- Ереван, 1987.

12. Лукин А.Н., Гридин Ю.И., Струков И.Ф. Многозг^уентный визуализатор СВ2 поля // Тезисы XI Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля. - М, 1917.

13. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Авт. св. №128694 //БИ, 1347. №11.

14. Лукин А.Н. Оценка координат точечного источника расположенного у границы раздела двух сред //Акустический журнал, 1989. У.35, №4, с. 696-702.

. 15. Лукин А.Н.,Моисеев С.Н. Статистическая модель ч ;стоты экранирования спорадического слоя Е // Тезисы Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых волн с ионосферной плазмой".- М, 1989. С. 39.

16. Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Теоретическое распределение частоты экранирования спорадического слоя Е // Тезисы Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых волн с ионосферной плазмой",- М, 1989. С. 40.

17. Лукин А.Н., Гридин Ю.И., Струков И.Ф. Метод определения фазового центра антенн К Изв. Вузов "Радиоэлектроника", 1990, №3., с.43 - 47.

18. Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Стохастическая модель частоты экранирования слоя Е с учетом гармонического тренда /А Тезисы XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. - Харьков, 1990. С. 101.

19. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Матрица для регистрации поляризационной развязкой сигналов Н Тезисы VI Всесоюзной конференции по голографии. -Витебск, 1990.

20. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Пространственный анализатор поля антенны//Тезисы Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение антенных измерений".-Ереван, 1990.

21. Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Функция распределения частотного экранирования спорадического слоя Е // Изв. Вузов Радиофизика, 1991. Т.34, Ш. С. 872-878.

22. Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Краткосрочные прогностические модели частотных параметров спорадического слоя' Е // Геомагнетизм и аэрономия, 1992. Т. 32, №2. С.100-105.

23. Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Проверка гипотезы о функции распределения частоты экранирования спорадического слоя Е ионосферы II Украинская республиканская школа - семинар, Тез. докл. -Черкассы, 1991. С. 62.

24. Трифонов А.П., Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Вероятностные модели и обработка случайных сигналов и полей. -Харьков, 1992. С. 170-174.

25. Лукин А.Н., Моисеев С.Н. Статистические модели частотных параметров спорадического слоя Е // Геомагнетизм и аэрономия. -1993. Т. 33, №2.

26. Лукин А.Н., Мигулин A.A., Моисеев С.Н., Петников В.Г., Сусликов О.Б. Модель флуктуации огибающей гармонического сигнала в мелком море // Акустический журнал. -1993. Т. 30, вып. 4. С. 691-696.

27. Лукин А.Н., Охремчик С.А. Об отражении ультракоротких волн от спорадического слоя Е // Тезисы докладов научно-практической i конференции ВВШ МВД России, -Воронеж, ВВШ МВД РФ, 1995.

28. Лукин А.Н. Обнаружение источника флуктуирующего сигнала в многолучевом канале // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Проблемы радиоэлектроники".-М.: МЭИ, 1995.

29. Лукин А.Н. Оценка амплитудно-фазового распределения поля при известной дифференциальной временной задержке от переотражений // Тезисы докладов Всероссийской конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны". М.: Радио и связь, 1995. С. 36-38.

30. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Устойчивость обнаружения скрытых объектов // Тезисы докладов Всероссийской конференции " Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны". М.: Радио и связь, 1995. С. 122-123.

31. Лукин А.Н., Охремчик С.А. Об отражении ультракоротких волн спорадическим слоем Е Н Геомагнетизм и аэрономия, 1996. № 3. С. 183-187.

32. Лукин А.Н., Охремчик С.А., Васильев В.А. Экспериментальное определение поляризационной структуры сигнала^перемещенкого среднеширотным спорадическим слоем Е // Тезисы докладов Научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. Ч. И. 1996. С. 103-104.

33. Лукин А.Н., Беляев В.В., Маюнов А.Т. Измерительная установка для исследования эффекта нелинейного переизлучения радиоволн //

Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. - Воронеж, ВВШ МВД РФ,

1996. Ч. I. Вып. 3. С. 71-73.

34. Лукин А.Н., Добрынин Д.Л., Панферов А.И. Управление переизлучением объектов сложной формы // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. - Воронеж, ВВШ МВД РФ, 1996. Ч. I. Вып. 3. С. 162171.

35. Лукин А.Н., Удалов В.П. Расчет напряженности поля радиоволн • метрового диапазона // Межвузовский сборник научных трудов,

Воронеж, ВГТУ, 1997. Вып. 4. С. 43-50.

36. Лукин А.Н., Удалов В.П. Измерение радиальной скорости двухточечного источника волн // Прикладные вопросы цифровой обработки и защиты информации - Воронеж, ВВШ МВД РФ, ВГТУ,

1997. С. 96-101.

37. Лукин А.Н., Удалов В.П. Оценка радиальной скорости двухточечного источника электромагнитного излучения // Тезисы докладов Научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. - Воронеж, 1997.

38. Лукин А.Н., Удалов В.П. Расчет напряженности поля источника электромагнитных волн расположенного у шероховатой поглощающей поверхности // Тезисы докладов Научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. - Воронеж, 1997.

39. Лукин А.Н., Струков И.Ф. О возможности автоматической отбраковки дефектов с помощью матрицы управляемых пассивных рассеивателей // Сборник научных трудов ВВШ МВД РФ. -Воронеж, ВВШ МВД РФ, 1997. №7. С. 12-16.

40. Лукин А.Н., Удалов В.П. Оценка распределения поля источника излучения с учетом переизлученной от границы раздела двух сред II Сборник на^ных трудов ВВШ МВД РФ. -Воронеж, ВВШ МВД РФ, 1997. № 7. С. 32-38.

41. Лукин А.Н., Швырев Б.А. О методе построения речевого сигнала II Тезисы докладов У1-Между народной конференции "Информатизация правоохранительных систем".-М., 1997,4-2, с.138.

42. Лукин А.Н., Щукин И.И., Удалов В.П. Расчет напряженности электромагнитного поля при организации радиосвязи // Тезисы докладов У1-Международной - конференции "Информатизация правоохранительных систем".-М., 1997,ч.З, с.84.

43. Лукин А.Н. Потенциальная точность настройки зеркальных антенн по распределению поля в ближней зоне'// Антенны, 1997. № 2(39). С. 6770.

44. Лукин А.Н., Удалов В.П. Оптимальная обработка ближнего поля зеркальной антенны с помощью матрицы управляемых рассеивателей // Антенны, 1997. № 2(39). С. 71-75.

45. Лукин А.Н., Удалов В.П. Использование метода измерения радиальной скорости в приборах охранно-пожарной сигнализации // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97".- Воронеж, 1997. С. 143-145.

'46. Лукин А.Н., Швырев Б.А. И Определение углового положения источника излучения с помощью гиротропных сред // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97".-Воронеж, 1997.

47. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Юстировка облучателя зеркальной антенны по распределению лоля в ближней зоне с помощью матрицы управляемых пассивных рассеивателей.// Антенны, 1997, № 2(39),с.63 - 66.

48. Лукин А.Н., Удалов В.П. Расчет напряженности электрического поля телевизионных сигналов метрового диапазона над пересеченной местностью // Тезисы докладов. VI - научно- техническая конференция "Современное телевидение".- М., 1998. С. 32.

49. Лукин А.H., Удалов В.П. Применение метода измерения радиальной скорости в приборах охранно-пожарной сигнализации // Доклады Всероссийской научно-практической конференции "Охрана-97".-Воронеж, ВВШ МВД РФ,1998. С.61-68.

50. Лукин А.Н., Удалов В.П. Метод оценки скорости движения двухточечного источника при неизвестном расстоянии до излучателя // Тезисы докладов III- международной электронной научной конференции "Современные проблемы, 1998. С. 185.

51. Лукин А.Н., Щукин И.И. Дифракция Френеля на фазовой дифракционной фокусирующей апертуре со ступенчатым профилем зон // Тезисы докладов. Труды Воронежского военного института радиоэлектроники. - Воронеж, 1998. Вып. 5. С. 195.

52. Лукин А.Н., Струков И.Ф. Удалов В.П. Измерения скорости двухточечного источника излучения при пространственно-временной обработке поля // Доклады IV - международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь. - Воронеж, 1998.

53. Зюльксв A.B., Лукин А.Н., Швырев Б.А. Оценка углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля // Доклады IV - международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь. - Воронеж, 1998.

54. Лукин А.Н., Удалов В.П. Оценка деполяризации радиоволн УКВ -диапазона у шероховатой границы раздела двух сред // Тезисы докладов научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. -Воронеж, 1998.

55. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля // Тезисы докладов научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. -Воронеж, 1998.

56. Лукин А.Н. Оценка напряженности поля электромагнитных волн метрового диапазона над пересеченной местностью // Радиотехника, 1998. № 2(39). С. 63-66.

57. Лукин А.Н., Удалов В.П. Оценка деполяризации электромагнитных волн метрового диапазона над пересеченной местностью // Электромагнитные волны и электронные системы, 1998. Т. 3, № 2. С. 22-27.

58. Лукин А.Н., Охремчик С.А., Удалов В.П. Оценка напряженности поля ультракоротких радиоволн переизлученных спорадическим слоем Е// Электромагнитные волны и электронные системы, 1998. Т. 3, № 2. С. 79-83.

59. Лукин А.Н. Потенциальная точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля // Радиотехника, 1998, №6, с.36 - 39.

60. Лукин А.Н., Удалов В.П. Оценка скорости расположенного в зоне Френеля двухточечного источника излучения при пространственно-временной обработке сигнала //Радиотехника, 1998. №'6,с. 40- 43.

61. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Измерение углового полоКевич источника излучения по поляризационной структуре поля // Радиотехника, 1993. № 6, с.44 - 49.

Подписано в печать 30.10.98 Формат 60x84 Vi6. Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № 419 Типография ВВШ МВД России 394065, Воронеж, просп. Патриотов,53