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

ЧР - Зд/о/рз

МИНИСТЕРСТВО ОЙЦЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

хрезидиум ВАК t ^

на правах рукописи

, :ие от " " 19-££г., №

ил ученую степень ДОК'

^ ' . ьник управ ВАК-Рс с 6 ЛУКЙН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 01.04.03- Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор А. П. Трифонов

ВОРОНЕЖ - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................4

1. Оценка параметров сложного источника излучения при известном распределении амплитуд и фаз точечных излучателей........26

1.1. Измерение параметров источников излучения при пространственно-временной обработке сигнала....................................................26

1.2. Метод измерения параметров сложного источника излучения

при пространственно-временной обработке сигнала............................44

1.3. Точность оценок параметров сложного источника излучения...............55

Выводы...................................................................................65

2. Оценка параметров сложного источника излучения при неизвестном распределении амплитуд и фаз точечных излучателей.......66

2.1. Синтез измерительного устройства параметров сложного источника излучения.........................................................................66

2.2. Характеристики оценок параметров сложного источника излучения.....................................................................................73

2.3. Оценка координат сложного источника излучения.............................83

2.4. Оценка координат излучателя расположенного у границы раздела двух сред.........................................................................102

2.5. Метод измерения скорости сложного источника излучения...............136

Выводы................................................................................148

3. Модели флуктуаций параметров сред........................................150

3.1. Одномерная плотность вероятности и частоты экранирования плазмы спорадического слоя Е ионосферы.....................................152

3.2. Статистическая модель флуктуаций параметров плазмы спорадического слоя Е ионосферы....................................................................170

3.3. Оценка корреляционной функции сигнала прошедшего флуктуирующую среду....................................................................................205

3.4. Метод оценки профиля показателя преломления флуктуирующей ионосферной плазмы...........................................................223

Выводы...................................................................................................234

4. Оценка параметров источников электромагнитных волн прошедших флуктуирующую среду........................................................................236

4.1. Оценка напряженности поля источника излучения расположенного над шероховатой границей раздела двух сред...........................236

4.2. Оценка поляризационной структуры поля излучения источника

расположенного над шероховатой границей раздела двух сред..........249

4.3. Оценка напряженности поля ультракоротких радиоволн переизлученных плазмой спорадического слоя Е ионосферы.......................263

4.4. Поляризационная структура сигналов источника переизлученного плазмой спорадического слоя Е ионосферы..............................272

4.5. Метод оценки параметров источников излучения с помощью

метода возмущенного поля.........................................................298

Выводы...................................................................................314

5. Оценка параметров источников излучения с помощью метода возмущенного поля.................................................................................316

5.1. Регистрация пространственного распределения поля с помощью возмущающего элемента............................................................316

5.2. Многоэлементные системы из возмущающих элементов для регистрации поля излучения источников................................................332

5.3. Измерение фазовой структуры поля излучения сложного источника............................................................................ .357

5.4. Метод измерения фазового центра сложного источника излучения......376

Выводы..................................................................................386

Заключение.................................................................. .............388

Литература.................................................................................392

Введение

Источники излучения или переизлучатели волн, имеющих различную природу, постоянно присутствуют вокруг нас. Это и солнечное излучение и тепловое излучение и излучение радиопередающих устройств радиовещания и телевидения, радиоустройств специального назначения, это и акустические источники звука излучаемого кораблями и подводными лодками, биологическими объектами и т.д. По излучению этих источников определяются их параметры, среди которых координаты, скорость, размер, форма, структура, распределение яркости, число источников излучения и другие. Технические аспекты решения задачи оценки параметров источников излучения относятся к области пассивной локации [68,174], а физические к радиофизике [10,51, 125].

По пространственным характеристикам различают несколько видов моделей источников излучения [75, 176]: точечные, многоточечные, поверхностно-распределенные, объемные, протяженные и другие. Наиболее распространенной является точечная модель источника излучения [116], к которой приводят и другие модели [111,176].

Зная, что волновой фронт точечного источника излучения сферический, определяют его координаты и скорость перемещения путем регистрации значений поля излучения в нескольких точках пространства и в различные моменты времени [116]. Измеряя значение поля как минимум в двух точках пространства определяют угловое положение источника излучения, а измеряя значение поля в трех точках пространства, по кривизне волнового фронта, определяют дальность до источника излучения [116]. Если точность оценки углового положения источника излучения оказывается достаточно высокой и определяется величиной параметра А/Ь [159], где X - длина волны, а Ь - расстояние между точками регистрации в направлении ортогональном распространению волны, то точность оценки дальности оказывается не столь высо-

кой и определяется величиной параметра, / Ь где К - расстояние до источника излучения [116]. Из практики измерений ясно, что отношение велико и уменьшить его можно увеличивая эффективное значения расстояние Ь.

Физическая причина уменьшения точности оценки дальности с ростом отношения ^[7Jl / Ь - изотропность скорости распространения волны, приводящая к уменьшению кривизны волнового фронта. Изотропность скорости распространения волн с одной стороны обеспечивает возможность измерения дальности по кривизне волнового фронта, а с другой стороны является причиной уменьшающей точность оценки дальности. Отсюда физическая предпосылка для увеличения точности оценки дальности - наличие условий нарушающих изотропность скорости распространения волны, при учете факторов приводящих к изменению изотропности.

Типичная анизотропия скорости распространения волн наблюдается у болыперазмерных, в длинах волн, излучателей, таких как зеркальные антенны, линзовые антенны, фазированные антенны решетки, проявление которой состоит в несферичности волновых фронтов этих излучателей, хотя бы до границ зоны Френеля. Естественно, по мере удаления, в изотропной среде, волновые фронты этих излучателей становятся сферическими, однако, проявления изотропности скорости распространения волны, по сравнению с точечным излучателем, как бы смещается на величину расстояния до границы зоны Френеля источника излучения.

Сложные источники излучения, состоящие из двух и более точечных излучателей достаточно широко распространены. Среди них сложные радиотехнические комплексы кораблей и самолетов, наземные радиотехнические комплексы, тепловые источники излучения, например, двигатели самолетов, сигналы переизлученные объектами сложной формы и т.д., а также поля точечных источников излучения в неоднородных и анизотропных средах, которые сводятся к совокупности полей точечных излучателей. Так точечный ис-

точник, расположенный у границы раздела двух сред, заменяется на двухточечный [165], точечный источник, расположенный между двумя границами раздела сред, заменяется на бесконечную цепочку точечных источников [24], а поле волны, прошедшей через облако рассеивателей, также описывается совокупностью полей точечных переизлучателей [62]. В анизотропных средах поля представляются совокупностью нормальных волн, которым можно поставить в соответствие точечные излучатели [166].

В известных моделях [111,176,] сложные источники излучения рассматривались как бесструктурные образования, приводящие к флуктуациям переизлученного сигнала [52]. При этом, часто, приемник настраивался на прием волн как от точечного флуктуирующего источника, что приводило к так называемым угловым шумам цели и значительным ошибкам в точности оценки координат сложного источника излучения [111,137]. Имея достаточно ясные физические предпосылки к увеличению точности оценки дальности за счет использования апертуры источника излучения, в первом и втором разделах работы выполнены теоретические исследования и экспериментальные измерения направленные на реализацию этой возможности и определению условий, при которых возможно увеличение точности оценки дальности. Среди условий подлежащих исследованию выбрана априорная информация о параметрах сложного источника излучения таких как распределение амплитуд и фаз излучателей, угловое положение сложного источника излучения, его угол ориентации, масштаб размеров и т.д. В этих разделах показано, что при равных априорных сведениях о приемной антенне и источнике излучения размеры апертуры приемной антенны и источника излучения входят симметрично в точностную характеристику оценки дальности, что позволяет значительно повысить точность оценки дальности при прежних отношениях л/ХЯ / Ь. При уменьшении априорных сведений влияние размеров апертуры источника излучения на точность оценки дальности уменьшается, но точность оценки дальности не становится ниже точности оценки до

точечного источника, до тех пор пока в алгоритме оценки учитывается структура сложного источника излучения.

Здесь же рассматриваются алгоритмы оценки угловых координат сложных источников излучения, приводящие к уменьшению влияния угловых шумов цели, также за счет учета структуры источника излучения в алгоритме оценки.

Количество оцениваемых параметров сложного источника излучения гораздо больше числа оцениваемых параметров точечного источника. Многомерность пространства оцениваемых параметров приводит к более разнообразным ситуациям по сравнению со случаем оценки одного параметра. Так по одному или нескольким параметрам эффективная оценка может отсутствовать, что ведет к отсутствию совместной эффективной оценки. В этом случае прибегают к регуляризации процедуры принятия решения [161]. Однако, анализ качества оценок, при использовании регуляризирующих алгоритмов, в литературе отсутствует. Этот вопрос рассмотрен во втором разделе настоящей работы, где показано, что применение обобщенных обратных матриц в характеризации по Муру-Пенроузу приводит к эффективным оценкам и в этой ситуации.

Для анализа точностных характеристик оценок координат источника случайного сигнала, была выбрана задача оценки координат точечного источника акустического сигнала, расположенного у границы раздела двух сред, вода-воздух. В этом случае, как известно, распределение поля эквивалентно полю двухточечного источника. Здесь получены соотношения для алгоритма оценки как разрешаемого, так и неразрешаемого двухточечного источника и показано, что точность оценки дальности и глубины погружения источника излучения не зависит от временной структуры сигнала при выполнении условия пространственно -временной узкополосности.

Для решения задачи оценки параметров источников излучения необходимо учитывать влияние среды распространения волн [ 39, 160]. Учет влияния среды распространения волн при оценке параметров осуществляется пу-

тем учета в алгоритме оценки математической модели среды распространения [160]. Часто построение математической модели осуществляется путем аппроксимации экспериментальных или наблюдаемых данных. Наиболее важным вопросом здесь является выбор базисных функций, которые составляют основу аппроксимации. Перспективным подходом к выбору базисных функций является использование физических закономерностей формирования параметров среды распространения.

Так, важным параметром плазменной среды является концентрация плазмы. Для оценки закономерностей ее изменения по величине и по времени в спорадическом слое Е ионосферы, естественно, рассматривать изменения концентрации плазмы как случайный процесс [149]. Описание случайного процесса осуществляется через вероятностные характеристики, для получения которых необходим ансамбль реализаций. При наличии лишь наблюдаемых, а не экспериментальных данных (различие между ними см. напр. в [95]) создать ансамбль реализаций затруднительно, а поэтому лучше выбрать прямой способ описания случайного процесса [94], который, в этом случае задается алгебраическими, разностными, дифференциальными, интегральными уравнениями или их комбинациями.

Использованию физических закономерностей для выбора базисных функций при описании параметров спорадического слоя Е ионосферы, посвящен третий раздел работы.

Изменение концентрации плазмы в спорадическом слое Е ионосферы происходит в следствии ее перераспределения в пространстве под действием вынуждающей силы нейтральных частиц [43]. Поэтому уравнения ее движения являются базисными функциями для описания случайного процесса через дифференциальные или разностные уравнения.

Используя уравнение движения плазмы, для обоснования марковского приближения при описании случайного процесса изменения параметра, частота экранирования спорадического слоя Е, найдена одномерная плотность вероятности, которая дает лучшее описание по сравнению с известными

плотностями вероятности [104, 109, 149]. По экспериментальным данным получены разностные уравнения, которые хорошо описывают случайный процесс и дают хороший корректируемый прогноз значений параметра,частота экранирования

Другой важной характеристикой среды, влияющей на значение поля волны источника излучения, прошедшей через неоднородную плазму, является распределение концентрации плазмы (показателя преломления) в пространстве. Обычно профиль распределения концентрации ионосферной плазмы измеряют с помощью импульсного разночастотного зондирования (высотно-частотные характеристики) [172]. Являясь дисперсионной средой, плазма приводит к расплыванию импульса и к снижению точности оценки распределения концентрации плазмы по высоте. Снижение разрешения по высоте, в большей степени, сказывается на оценке профиля распределения концентрации тонких спорадических слоев. В то же время, при наклонном зондировании ионосферы гармоническим сигналом, траектория его распространения зависит от профиля концентрации плазмы [45], что при стохастическом характере ее поведения, дает основания для определения профиля концентрации плазмы.

Используя экспериментальные характеристики канала связи через спорадический слой Е, найден профиль его электронной концентрации, соответствующий переходному слою, а также показано, что приближение геометрической оптики при распространении метровых волны в неоднородной плазме спорадического слоя Е выполняется.

Как указывалось выше, точность оценки углового положения источника излучения определяется соотношением АУЬ. Используя, при оценке углового положения источника излучения, принцип внесения контролируемой анизотропной или неоднородной сред на пути распространения волн, оказывается возможным увеличить точность оценки угловых координат источника излучения, не увеличивая отношения АУЬ. В четвертом разделе работы предло-

жен способ измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре сигнала, предварительно прошедшего через анизотропную или неоднородную среду. Найдена потенциальная точность измерения, по этому способу, углового положения источника излучения. Характеристики оценки свидетельствуют о том, что даже при малом отношении A/L, точность оценки углового положения источника излучения может быть сделана достаточно высокой, того же порядка, что и при больших отношениях XTL.

Этот способ экспериментально проверен как в естественных условиях, путем наблюдения телевизионных сигналов различных телецентров стран Западной Европы, переизлученых магнитоактивной плазмой спорадического слоя Е , так и в лабораторных условиях.

При проверке этого способа оценки углового положения источника излучения в естественных условиях, появляется ряд факторов, которые необходимо учитывать при измерении. Среди этих мешающих факторов