Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта

Журавлев, Андрей Викторович

Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Журавлев, Андрей Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта»

Автореферат диссертации на тему "Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта"

На правах рукописи

Журавлев Андрей Викторович 3//////г^г

Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном

слое грунта.

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель: Андреев Герман Андреевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Баскаков Александр Ильич,

доктор технических наук, профессор;

Загорнн Геннадий Кузьмич,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет им. Н.Э.Баумана

Защита состоится 9 июня 2006 года, в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул.Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан « Ц » МИЛ_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

А.А.Потапов

Яоосд

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Классический подход к решению задач дифракции основан на интегральной формуле Кирхгофа, которая представляет собой свертку в координатном представлении распределения комплексной амплитуды по раскрыву излучающей антенны со сферической или параболической функцией Грина. Для апертурных антенн, формирующих узкие пучки волн, предпочтительным методом в прикладных задачах дифракции оказывается спектральный метод, основанный на представлении произвольного распределения комплексной амплитуды в виде суперпозиции плоских волн и использовании угловой характеристики слоя пространства. Использование спектрального подхода допускает численную реализацию моделей расчета с использованием быстрого алгоритма преобразования Фурье, что является важным в задачах дифракции узких пучков на препятствиях, силуэт которых имеет произвольную форму. В приложениях с использованием апертурных антенн, имеющими размеры много больших длины волны, угловая характеристика слоя пространства допускает упрощение в малоугловом приближении (приближение Френеля), давая дополнительное преимущество. Развитый в диссертации спектральный подход был реализован для решения задач, возникающих в просветной и подповерхностной радиолокации; при функционировании радиолокаторов вблизи хаотически неровной поверхности. Просветные радиолокаторы являются основным элементом периметрических охранных комплексов, обеспечивающих безопасность территории от вторжения посторонних объектов. Преимуществами таких систем являются: всепогодность, способность контролировать протяженный участок до нескольких километров, простоту настройки и эксплуатации, невысокую стоимость. Основным их недостатком является плохая способность режекции ложных целей, что влечет за собой высокий уровень ложных тревог.

Используемая в настоящее время теория, позволяющая оценивать ЭПР и наблюдаемые дифракционные сигналы в просветной радиолокации воздушных

целей, является неприемлемой для применения в просветно] |

С.-Петербург ОЭ 2<ю£лктЦ(( ^

наземных целей. Данное обстоятельство связано с тем, что в просветной радиолокации воздушных целей длина базы (линия, соединяющая передающую и приемную антенны) составляет от 30 и более километров, из-за чего приближение дальней зоны справедливо практически во всей области слежения за воздушными целями. Ситуация меняется в просветной радиолокации наземных целей, где типичная длина базы изменяется от нескольких единиц до сотен метров.

Пересекающий просветную зону объект в большинстве случаев не находится в дальней зоне относительно передающей или приемной антенн, приводя к тому, что возбуждение теневой апертуры нельзя считать синфазным. Это приводит к тому, что двухпозиционная ЭПР, использующаяся в просветной радиолокации воздушных целей в виде квадрата модуля двумерного преобразования Фурье по теневой апертуре силуэта, в ближней просветной радиолокации становится некорректной. Данное обстоятельство усугубляется при переходе к более коротким длинам волн при локации наземных целей, связанным с возможностью увеличения соотношение сигнал/шум.

Использование в просветных радиолокаторах волн миллиметрового диапазона в совокупности с апертурными антеннами размерами много больше длины волны ставит вопрос об обоснованности предлагающегося некоторыми исследователями графоаналитического подхода для расчета комплексной амплитуды дифракционного поля с разбиением волнового фронта на зоны Френеля и последующего вычисления вклада каждой открытой части в результирующий сигнал.

Перечисленные обстоятельства требуют разработки нового метода для описания возникающих дифракционных сигналов в ближней просветной радиолокации с учетом особенности применяемых апертурных антенн, формирующих в контролируемом пространстве узкие пучки волн.

Проблема отражения и рассеяния волн на границах с хаотическими неровностями представляет значительный интерес для исследователей в виду того, что возникает в таких областях как радиолокация, связь, дистанционное

зондирование суши, океана и поверхностей планет. Значительная часть предлагаемых в настоящее время методов основана на хорошо известном методе Кирхгофа, методе возмущений или двухмасштабной модели. С момента появления этих моделей до настоящего времени был проделан большой объем исследований по определению их области применимости, что показало их состоятельность для широкого круга приложений.

По мере накопления новых экспериментальных данных появились области, в которых аналитические методы приводили к значительным погрешностям, что побуждало исследователей развивать численные методы решения задач дифракции на хаотических поверхностях. Зачастую в предлагаемых моделях не уделяется должного внимания природе источников, возбуждающих в окружающем пространстве электромагнитные волны. В таких моделях чаще всего используются гипотетический точечный источник сферических волн или бесконечно протяженный источник плоской волны, и значительно реже моделируются электрический или магнитный диполи.

Использование более коротких волн сантиметрового и миллиметрового диапазона, излучаемых апертурными антеннами, формирующими узкие пучки, может ограничивать применение моделей, построенных для упомянутых выше излучателей.

В свете изложенного необходимо исследование вопроса влияния направленных свойств излучателей на воспроизводимые в моделях отражательные характеристики хаотически неровной поверхности.

Среди множества подповерхностных радиолокаторов можно выделить класс сканирующих радиолокаторов непрерывного действия с немодулированными сигналами. Получаемые с помощью такого радиолокатора изображение имеет вид интерференционной картины, получающейся в результате сложения опорной волны и волны, отраженной от заглубленного предмета. Такое изображение затрудняет интерпретацию получаемых данных оператором и делает невозможным определение глубины, на которой находится исследуемый объект. Характеристики такого радиолокатора могут быть

существенно улучшены получением изображения, дающего представление о распределении источников, находящихся под поверхностью.

Для восстановления изображения, характеризующего распределение источников под поверхностью, в литературе предлагаются алгоритмы, основанные на методе апертурного синтеза, в которых методом отражательных характеристик служит модуль функции корреляции наблюдаемого сигнала с опорным сигналом, который создавался бы опорным источником, помещенным в интересуемую точку пространства. Данный метод обладает значительной погрешностью, так как требует априорного знания фазы отражения от зондируемого объекта.

В существующих методах, основанных на решении обратных задач, непрерывные зондирующие сигналы, как правило, не рассматриваются. Являясь громоздкими и требующими значительных вычислительных ресурсов, они не приемлемы к радиолокатору указанного типа, с помощью которого важно получать оперативную информацию.

Для решения задачи получения изображений по сигналам, регистрируемым в сантиметровом и миллиметровом диапазоне, может быть адаптирована методика, существующая для восстановления оптических голограмм. В диссертации показано, что такая интерпретация данных подповерхностной радиолокации вместе с использованием спектрального метода, позволяет избежать перечисленных трудностей. Целями диссертации являлись:

1) разработка теории, которая может быть использована для расчета дифракционных сигналов и оценке энергетического потенциала в ближней просветной радиолокации, в частности ближней просветной радиолокации наземных движущихся целей. Данный подход должен допускать простую численную реализацию и учитывать особенности апертурных антенн, формирующих в пространстве узкие пучки волн;

2) разработка модели отражения узкого пучка волн от хаотически неровной поверхности с пологими неровностями и выяснение вопроса о влиянии

диаграмм направленности апертурных антенн на точность моделей отражения электромагнитных волн от хаотически неровных поверхностей;

3) разработка метода восстановления изображений заглубленных предметов по данным подповерхностного зондирования, получаемым с помощью сканирующего подповерхностного радиолокатора непрерывного действия. Модель должна допускать удобную численную реализацию, позволяющую восстанавливать изображения в реальном масштабе времени.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1) дифракции узкого пучка волн с использованием спектрального разложения и угловой характеристики слоя пространства на объекте с размерами много больше длины волны в приближении Кирхгофа;

2) написания вычислительных алгоритмов и программ, моделирующих передающую и приемную антенны просветного радиолокатора, перемещение человека в просветной зоне и возникающие при этом сигналы на выходе приемной антенны;

3) сравнения результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными;

4) формулировки модели отражения электромагнитной волны хаотически неровной поверхностью, допускающей учет параметров узконаправленных антенн и нахождения ее асимптотического решения с использованием спектрального метода;

5) написания вычислительных алгоритмов и программ, моделирующих функционирование передающей и приемной антенн вблизи хаотически неровной поверхности на основе найденного решения в п.4, которые позволяют рассчитывать изменение комплексной амплитуды поля при вертикальном перемещении приемной антенны;

6) проведения оценки статистических характеристик поверхности с использованием построенной модели и имеющихся экспериментальных данных интерференционных замираний над хаотически неровной поверхностью снега;

7) разработки методики восстановления изображений, основанной не на определении расположения самих источников, а на определении распределения комплексной амплитуды в непосредственной от них близости;

8) выбора решения задачи п.7 с помощью метода восстановления волнового фронта известного из оптики с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье и фильтрации углового спектра;

9) проведения численных расчетов, показывающих состоятельность предложенного метода.

Научная новизна.

1) Разработана новая методика решения задачи дифракции узких пучков волн, основанная на разложении распределения комплексной амплитуды в спектр плоских волн и использовании угловой характеристики слоя пространства.

2) На основе разработанного спектрального метода были получены новые аналитические выражения для:

• комплексной амплитуды дифракционного поля узкого пучка на затеняющем объекте произвольной формы с характерным размером много больше длины волны в приближении Кирхгофа;

• среднего значения комплексной амплитуды узкого пучка волн, отраженного хаотически неровной пологой поверхностью.

3) Разработана методика восстановления изображений по данным подповерхностного радиоголографического зондирования.

Методы исследования. В диссертации использованы современные

методы теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки

сигналов и численного моделирования.

Достоверность научных положений была подтверждена сопоставлением

разработанных методик и моделей с данными экспериментов. Научные положения, выносимые на защиту.

1) Аналитические решения задач дифракции узких пучков на:

• затеняющем объекте произвольной формы с характерным размером много больше длины волны в приближении Кирхгофа;

• хаотически неровной пологой поверхности с гауссовым распределением высот и наклонов нормали.

2) Методика восстановления изображений по данным подповерхностного

радиоголографического зондирования.

Практическая ценность результатов.

Методика расчета выходных сигналов просветного радиолокатора, основанная на разработанной теории дифракции узких пучков, может быть использована для моделирования характеристик разрабатываемой системы периметрического контроля с учетом диаграмм направленности испо .ыуемых антенн, а также возможностью рассчитывать выходные сигналы при и ¡менении формы объекта, проникающего в контролируемое пространство, а также ее энергетического потенциала.

Предложенное выражение, связывающее средний коэффициент отражения хаотически неровной поверхности с ее статистическими характеристиками -дисперсией высот и наклонов, может быть использовано для вычисления оценки ожидаемых интерференционных замираний при функционировании радиолокационных систем вблизи хаотически неровных пологих поверхностей. Данное выражение может быть использовано также для решения обратной задачи - определению статистических характеристик поверхности по данным двухпозиционных интерференционных измерений.

Предложенная методика восстановления радиолокационных изображений по данным радиоголографического зондирования способна улучшить их представление для более надежной классификации изображений оператором. Положенный в основу спектральный подход позволит применять данный метод в реальном масштабе времени.

Областями применения результатов могут являться приложения просветной и подповерхностной радиолокации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Апробация работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, регулярно докладывались и обсуждались на семинарах ИРЭ РАН, были доложены на следующих конференциях:

XXVIIIth General Assembly of International Union of Radio Science, October 23-29,2005, New Delhi, India;

13th Conference on Microwave Techniques, September 26-28, 2005, Prague, Czech Republic;

International Microwave Symposium, June 12-17, 2005, Long Beach, California Третьей научно-технической конференции «Радиооптические технологии в приборостроении», 12-16 сентября 2005 г., г. Сочи, Россия; Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 7-9 февраля 2006 г., г. Санкт-Петербург, Россия; XLVIII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 25 - 26 ноября 2005 г., г. Долгопрудный, Россия;

XL VII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 26 - 27 ноября 2004 г., г. Долгопрудный, Россия;

Работа была поддержана грантом №34298 федеральной программы «Интеграция науки и высшего образования в Российской Федерации» в 2004 г., грантом РФФИ №05-02-27223з в 2005 г.

Вклад автора заключается в непосредственном участии в построении предложенных моделей дифракции, проведении всех этапов обработки экспериментальных данных с созданием обработки методики и программно-математического обеспечения, участии в анализе как промежуточных так и конечных зависимостей и закономерностей дифракции узких пучков, их интерпретации и получении научных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации

составляет 71 страницу, включая 19 рисунков. Библиография включает 35 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 в приближении Кирхгофа рассмотрена задача дифракции узкого пучка волн на затеняющем объекте произвольной формы с характерным размером много больше длины волны. Для излучающей антенны, формирующей узкий пучок волн, с помощью разложения на плоские волны и использованием угловой характеристики слоя пространства в малоугловом приближении, получено общее выражение (1), связывающее комплексную амплитуду поля с Фурье-спектром распределения комплексной амплитуды в плоскости раскрыва передающей антенны.

В выражении (1) координаты х, у, г задаются в системе координат, связанной с апертурой, Я - длина волны излучения, к - волновое число, Ё„(г,и1,и2) -двумерное преобразование Фурье распределения комплексной амплитуды в плоскости раскрыва г = 0.

Показывается, что комплексная амплитуда дифракционного поля в точке наблюдения может быть получена используя выражение (1) как для вычисления комплексной амплитуды поля, создаваемой антенной, так и для вычисления комплексной амплитуды поля, создаваемой апертурой силуэта. В соответствии с этим принципом, дифракционное поле в точке наблюдения находится как разность между комплексной амплитудой, создаваемой антенной, и комплексной амплитудой, создаваемой апертурой теневого силуэта, что приводит к аналитическому выражению (2).

ехр /[ кх - —

Е(х,у,г)»-^

Лх

(1)

ех

Р('**|)

X, 4-Х,

ехр

Я(х,+х2)

(у2^2)

X, + хг,£-

х, +х,

(2)

2 /

--ехр

\ г Ё.

В выражении (2) х/ - задает положение экрана вдоль оси абсцисс, х2 - задает положение точки наблюдения, Е„ - двумерное преобразование Фурье распределения комплексной амплитуды по апертуре антенны, Ёс - двумерное преобразование Фурье распределения комплексной амплитуды по апертуре затеняющего экрана, создаваемое источником.

Для оценки адекватности такого подхода для расчета дифракционного поля проводится моделирование выходных сигналов, формирующихся на выходе приемной антенны просветного радиолокатора. Для этого рассматриваются функциональная схема и характеристики просветного радиолокатора, расположение и ориентация его передающей и приемной антенн.

Для моделирования информационного сигнала просветного радиолокатора, как функции времени, комплексная амплитуда (2) вычисляется через равные промежутки времени для последовательности положений теневого силуэта человека, пересекающего контролируемую зону. Комплексная амплитуда выходного сигнала с приемной антенны получается интегрированием по раскрыву приемной антенны, что учитывает ее диаграмму направленности.

Информационный сигнал, полученный при моделировании, сравнивается с экспериментальными данными, полученными с действующим просветным радиолокатором серии «Пион», что подтверждает состоятельность предлагаемой модели (рис. 1).

7Л)-

^ А / 1 Шг

V 1 и щ \ у

---1-0

-в -4 -2 0 2 4 6

Смещение силуэта относительно базы, м Рис.1. Выходной сигнал приемной антенны, возникающий при пересечении просветной зоны человеком в полный рост, а) - экспериментальный, б) -

расчетный сигнал.

Спектральный подход, изложенный в главе 1, используется далее для решения другой задачи дифракции - оценке влияния хаотически неровной подстилающей поверхности на величину интерференционных замираний. В главе 2 рассматривается источник, формирующий узкий пучок волн, который располагается вблизи пологой хаотически неровной поверхности. Предполагается, что полупространство, расположенное под поверхностью, характеризуется постоянным значением комплексной диэлектрической проницаемости. Сама поверхность имеет среднее значение высот равное нулю, а распределение высот поверхности и наклонов нормали является гауссовскими, не зависящими друг от друга в одной и той же точке поверхности.

На основе спектрального подхода, строится модель отражения пучка волн. При этом хаотически неровная поверхность аппроксимируется касательной плоскостью, проходящей через точку, находящуюся в центре наиболее существенной для отражения области. Высота этой точки и наклон касательной

плоскости, проведенной через нее, флуктуируют от одной реализации поверхности к другой или при перемещении самой существенной для отражения области при изменении геометрии расположения источника или точки наблюдения.

Данная аппроксимация хаотической поверхности касательной плоскостью влечет за собой ограничение (3) на класс поверхностей, для которых может использоваться данный подход. А именно, поверхность должна быть гладкой на столько, чтобы ее отклонение от касательной плоскости в области с размерами первой зоны Френеля было много меньше длины волны.

(3)

рахату/

В выражении (3) Я - длина волны, ц/ - угол падения, отсчитываемый от горизонтальной плоскости, р - средний радиус кривизны поверхности в точке зеркального отражения, а0 - размер наименьшей полуоси первого эллипсоида Френеля.

Далее следует вывод аналитического выражения (4), связывающего среднее значение комплексной амплитуды отраженного хаотически неровной поверхностью поля с ее статистическими характеристиками - дисперсией высот и наклонов в предположении их распределений по Гауссу.

{ЕХхг,гг)) = ехр(-2*^>)ехр(-2*2^г&У )£/ (хг'2г) №

В выражении (4) координаты х2, г2 задают положение точки наблюдения в системе координат, связанной с подстилающей поверхностью; к - волновое число; у/ - угол падения в точке зеркального отражения; <уг(, аггх - дисперсии распределения высот и наклонов поверхности; £у - комплексная амплитуда

поля, отраженного от плоской горизонтальной поверхности, задаваемая выражением (5).

.ях.

В выражение (5) входят диаграммы направленности передающей и приемной антенн Е, и Ег в виде двумерных преобразований Фурье распределения комплексной амплитуды в их плоскостях раскрыва, V - коэффициент отражения Френеля.

Для проверки состоятельности полученного решения модель сопоставляется с экспериментальными данными. Приводится описание схемы проведения эксперимента с использованием разнесенных передающей и приемной антенн, находящихся вблизи хаотически неровной поверхности снежного покрова. Приводится описание метода проведения измерений, а также характеристики использованной аппаратуры. Интерференционные замирания в эксперименте регистрировались при изменении высоты расположения приемной антенны.

Для интерпретации измерений для каждой пары интерференционных максимума и минимума рассчитывается коэффициент отражения. После чего методом наименьших квадратов строится зависимость эффективного коэффициента отражения от высоты приемной антенны. Показывается, что, задавая параметры модели - дисперсию высот и наклонов хаотической поверхности можно удовлетворительно аппроксимировать значения эффективного коэффициента отражения, полученные экспериментально (рис.2).

Полученные значения дисперсий высот и наклонов используются в той же модели, в которой вместо узконаправленных антенн моделируются точечные всенаправленные передатчик и приемник. Полученные результаты моделирования сравниваются с аналогичными для остронаправленных антенн. В результате чего следует вывод о том, что пренебрежение направленными характеристиками приводит к абсолютной погрешности определения среднего коэффициента отражения равной 0.2.

Высота расположения приемной антенны, м

Рис.2. Зависимости среднего коэффициента отражения от высоты расположения приемной антенны над поверхностью земли: 1 - данные моделирования со среднеквадратичными значениями высот и наклонов 2 мм и 0.005 соответственно, 2 - данные, полученные в ходе экспериментов, 3 -коэффициент отражения, рассчитанный для плоской поверхности.

В главе 3 спектральный подход применяется для моделирования голограммы точечного источника, получаемой с помощью сканирующего подповерхностного радиолокатора непрерывного действия с апертурной антенной. Точечный источник располагается при этом на некоторой глубине в полупространстве, характеризуемом комплексной диэлектрической проницаемостью е.

С использованием преобразования Фурье распределения комплексной амплитуды по апертуре антенны, френелевских коэффициентов отражения и прохождения, обобщенных на случай неоднородных волн, и угловой характеристики слоя пространства находится значение комплексной амплитуды £. в месте расположения точечного рассеивателя, задаваемое (6). Из-за того, что рассеиватель может находиться в любой из выделяемых трех зон по отношению к приемной антенне, в алгоритме расчета радиоголограммы не делается никаких допущений о его расположении.

^ «О «О

(¿х) ^

хехр[-/'(^2 - и? - «22г,)]ехр[-/(«, (хс -х,) + и2 (ус -

В выражении (6) координаты х, у, г, имеющие индекс I, соответствуют точечному рассеивателю, индекс с соответствует условному центру апертуры; функция 0,(«|,ы2) является двумерным преобразованием Фурье распределения комплексной амплитуды по апертуре антенны, в котором переменные м/ и и2 являются пространственными частотами; коэффициент прохождения Френеля плоской волны из верхнего полупространства в нижнее задается функцией

Аналогичным образом решается задача о выходном комплексном сигнале

с антенны Рг, создаваемой точечным рассей вател ем с постоянным

возбуждением, не зависящим от места расположения сканирующей антенны, в

результате чего получается выражение (7).

| »00

хехр[-/(^-и?-«^,)]ехр[/(м, (хс -х,) + иг (ус - у,

В выражении (7) Сг(и„и2) - обратное преобразование Фурье распределения комплексной амплитуды по апертуре антенны, g^(u^,u2) - коэффициент прохождения Френеля плоской волны из нижнего полупространства в верхнее. Для выходного сигнала Р, принимаемого при перемещении приемопередающей антенны в пределах области сканирования, получена формула (8).

-х,>Уе-У»*,) = №,{хс-х,>Ус-Уп',)рг{х,-х,'Ус-У,<2,) (8) В выражении (8) Л - комплексный коэффициент отражения от элементарной площадки заглубленного предмета.

Пример голограммы, полученной с помощью соотношения (8), приведен на рис.3.

1? и

15 1.4

и 12 11

10 4 0 5 10

РоМют X ст

Рис.3. Моделирование голограммы точечного рассеивателя, получаемой с помощью сканирующего апертурного излучателя и приемника.

Для восстановления изображения объекта по данным подповерхностного зондирования предлагается алгоритм, соответствующий по своей концепции алгоритму восстановления оптических голограмм.

Для проверки состоятельности данного подхода рассматривается упрощенная задача, в которой, для избежания необходимости решать уравнение свертки, рассматриваются точечные передающая и приемная антенны. Показано, что из-за того, что комплексная амплитуда возбуждения точечного рассеивателя меняется при перемещении антенны, задача восстановления изображения может быть сведена к восстановлению регистрируемой голограммы опорной волной с вдвое большим волновым числом. При этом распределение комплексной амплитуды в плоскости, параллельной границе раздела сред и находящейся на глубине ъ, может быть получено по соотношению (9).

Е,(х,у,2)= { |£(и„1/2;0)ехр^-/А/(2Л)2 --и^ехр[/(и,х + и1У)~\с1щс1щ (9)

В выражении (9) Е является преобразованием Фурье распределения комплексной амплитуды, которое комплексно сопряжено распределению,

регистрируемому приемной антенной. Угловая характеристика слоя пространства, которой является второй экспоненциальный множитель в (9), содержит удвоенное волновое число.

Использование при восстановлении голограммы спектрального подхода для расчета плоских распределений комплексной амплитуды поля на любой глубине позволяет отфильтровать влияние интенсивной опорной волны, которая возникает во время регистрации голограммы при отражении от поверхности раздела и при непосредственном подмешивании в приемник от генератора.

Пример расчета восстановленного изображения с фильтрацией опорной волны по регистрируемой голограмме приведен на рис.4. Предметом, укрытым в оптически непрозрачной поглощающей среде на глубине 6 см, являлась плоская квадратная рамка размером 3 см. Левый верхний рисунок соответствует распределению амплитуды сигнала, регистрируемой приемной антенной. Как видно на рис.4, изображение фокусируется на той же глубине, на которую помещался предмет при расчете регистрируемого поля. При этом глубина, на которой происходит фокусировка, не зависит от изменения фазы волны при отражении от предмета.

Для того чтобы в месте восстановления действительного изображения отсутствовало расфокусированное изображение мнимого изображения, рекомендуется использовать квадратурный, а не амплитудный детектор. При этом возможность фильтрации опорной волны позволило бы отказаться от аппаратной компенсации опорного сигнала.

Рис.4. Пример восстановления изображения по голограмме. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

просветной радиолокации наземных движущихся целей. В результате было получено аналитическое выражение для комплексной амплитуды дифракционного поля узкого пучка волн на затеняющем объекте произвольной формы с характерным размером много больше длины волны в приближении Кирхгофа.

Разработанная модель была использована для описания выходных сигналов просветного радиолокатора при пересечении контролируемой области пространства человеком. Использование спектрального подхода позволило учесть направленные характеристики передающей и приемной антенн просветного радиолокатора, использовать алгоритмы расчета на основе быстрого преобразования Фурье, что оказалось удобным при расчете дифракционных сигналов для объектов, теневой силуэт которых может меняться при движении. Данные моделирования были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными с помощью наземного просветного радиолокатора, что подтвердило адекватность предложенной модели.

Для класса пологих хаотически неровных поверхностей решена задача дифракции узкого пучка волн. Получено аналитическое выражение, связывающее среднее значение комплексной амплитуды отраженного поля с ее статистическими характеристиками - дисперсией высот и наклонов. Сопоставление данных моделирования с экспериментальными данными, полученными при измерении интерференционных замираний над хаотически неровной поверхностью снежного покрова, показало возможность оценки статистических характеристик подстилающей хаотически неровной поверхностью с пологими неровностями. Было показано, что пренебрежение диаграммами направленности используемых антенн приводит к значительной погрешности воспроизводимого в модели среднего коэффициента отражения.

проницаемости. Предложен быстрый численный алгоритм восстановления изображений по радиоголограммам, получаемым с помощью сканирующего приемопередатчика непрерывного действия. Было показано, что восстановление радиоголограммы с удвоенным волновым числом, приводит к фокусировке изображения в действительном месте расположения скрытого под поверхностью рассеивателя. Использование при расчете спектрального метода с последующей фильтрацией углового спектра позволило избежать такого недостатка, существующего при восстановлении голограмм, как значительная интенсивность прошедшей опорной волны. Проведенное численное моделирование подтвердило состоятельность предложенного метода. На основе результатов численного моделирования приведены рекомендации по усовершенствованию подповерхностного радиолокатора непрерывного действия.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Андреев Г. А., Анцилевич М.А., Архипов В. Л., Журавлев А.В. Обнаружение наземных движущихся целей просветным радиолокатором. Н Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. № 8. С. 827.

2. Andreyev G.A., Zhuravlev A.V. Detection of Moving Targets by Ground Bistatic Radar. // Proc. International Microwave Symposium, June 12-17, 2005, Long Beach, California.

3. Zhuravlev A., Andreyev G. Chaotic Surface Statistics Recovery from Interference Coherent Bistatic Measurements. // Proc. 13th Conference on Microwave Techniques, September 26-28,2005, Prague, Czech Republic.

4. Zhuravlev A., Andreyev G. Microwave Beam Diffraction by Moving Object in Bistatic Radar Applications. // Proc. XXVIIIth General Assembly of International Union of Radio Science, October 23-29,2005, New Delhi, India.

5. Андреев Г.А., Журавлев A.B. Просветная радиолокация наземных движущихся целей. // Труды третьей научно-технической конференции

«Радиооптические технологии в приборостроении», 12-16 сентября 2005 г., г. Сочи, Россия.

6. Андреев Г.А., Журавлев A.B., Кондранин Т.В. Моделирование голограмм, получаемых с помощью подповерхностного радиолокатора непрерывного действия. // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Том 5, 07-09 февраля 2006 г., г. Санкт-Петербург, Россия.

7. Журавлев A.B. Отражение электромагнитных волн мм-диапазона от хаотически неровной поверхности. // Труды XLVIII научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 25 - 26 ноября 2005 г., г. Москва - г. Долгопрудный, Россия.

8. Журавлев A.B. Дифракция электромагнитных волн на движущихся объектах в наземной просветной радиолокации. // Труды XLVII научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 26 - 27 ноября 2004 г., г. Москва - г. Долгопрудный, Россия.

Журавлев Андрей Викторович

Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта.

Подписано в печать 26.04.2006. Формат 60x84 /16. Печать офсетная. Уел печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 80 эю Заказ № ф-062

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский физико-технический институт (государственный университет) Отдел автоматизированных издательских систем «ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ» 141700, Московская обл., г.Долгопрудный, Институтский пер., 9

200G f\ -fO^GO

1 02 60

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Журавлев, Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ДИФРАКЦИЯ УЗКОГО ПУЧКА ВОЛН НА ЗАТЕНЯЮЩЕМ ОБЪЕКТЕ.

1.1. Принцип Бабине в формировании дифракционного поля.

1.2. Комплексная амплитуда узкого пучка волн в малоугловом приближении

1.3. Дифракция пучка на затеняющем силуэте.

Введение диссертация по физике, на тему "Распространение, дифракция и отражение узких пучков миллиметровых и сантиметровых радиоволн в приземном атмосферном слое и подповерхностном слое грунта"

Развитый в диссертации спектральный подход был реализован для решения задач, возникающих в просветной и подповерхностной радиолокации; при функционировании радиолокаторов вблизи хаотически неровной поверхности.

Интерес к просветной радиолокации обусловлен появлением задач, которые не могут быть решены использованием однопозиционных радиолокаторов. Одной из таких задач является задача обнаружения малоразмерных низколетящих целей [1]. Данная задача может быть решена с использованием просветных радиолокаторов, поскольку двухпозиционная ЭПР целей при значении двухпозиционного угла в окрестности 180° имеет на 20-40 дБ [2] большее значение. Вторым важным преимуществом использования просветных радиолокаторов является независимость двухпозиционной ЭПР от наличия поглощающего покрытия [1,3].

Просветные радиолокаторы применяются не только для обнаружения воздушных целей, но и для обнаружения целей, движущихся по земной поверхности [4,5]. Просветный радиолокатор стал неизбежным элементом охранных систем объектов, где требуется обеспечить высокую безопасность. Среди преимуществ использования наземных просветных радиолокаторов для обеспечения безопасности охраняемой территории является всепогодность, простота эксплуатации, невысокая стоимость и способность охватывать большую территорию. Основным недостатком этих радиолокационных систем является плохая способность режекции ложных целей, приводящая к высокому уровню ложных тревог. Ложными целями в типичной обстановке размещения просветного радиолокатора могут быть, например, животные или птицы. Для решения этой проблемы система контроля дополняется другими приборами: видеокамерами, сейсмическими, акустическими, емкостными и другими сенсорами [6], что значительно увеличивает стоимость системы. Для просветных радиолокаторов наземных целей крайне желательно рассмотреть возможность увеличения количества используемых признаков, для чего требуется разработка адекватной модели формирования информационных сигналов в просветном радиолокаторе.

Условия эксплуатации наземных просветных радиолокаторов отличаются от условий работы радиолокаторов для слежения за воздушными целями. Одним из таких отличий является различная протяженность линии, соединяющей передающую и принимающую антенну (линия базы), в просветных радиолокаторах, предназначенных для обнаружения наземных целей, и просветных радиолокаторов воздушных целей. У радиолокаторов для обнаружения воздушных целей длина базовой линии может составлять от 30 и более километров, в то время как длина базовой линии просветных радиолокаторов для обнаружения наземных целей составляет от единиц до нескольких сотен метров. Второй отличительной особенностью просветных радиолокаторов наземных целей является меньшая длина волны, которая, сочетаясь с использованием апертурных антенн размерами много больше длины волны, приводит к тому, что антенна создает в пространстве узкий пучок волн. Благодаря этому обеспечивается необходимое высокое соотношение сигнал/шум.

Длина волны воздушных просветных радиолокаторов может изменяться от нескольких дециметров до метра, в то время как длина волны наземных просветных радиолокаторов изменяется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Указанные отличия приводят к тому, что использование традиционных формул для оценки энергетического потенциала радиолокаторов воздушных целей не могут быть использованы для оценки потенциала наземных радиолокаторов и тем более для описания наблюдаемых выходных сигналов, регистрируемых антенной просветного радиолокатора наземных целей.

Приводящиеся ниже оценки поясняют сложившуюся к настоящему времени ситуацию. Использование формулы для двухпозиционной ЭПР в виде квадрата двумерного преобразования Фурье от теневой апертуры [1,7,8] в области малых углов дифракции является справедливым, когда теневая апертура располагается в дальней зоне относительно передающей антенны, что приводит к синфазному возбуждению теневой апертуры. Рассчитаем в качестве примера расстояние, начиная с которого можно считать, что объект с характерным размером воздушного объекта L = 15 м будет находиться в дальней зоне по отношению к передающей антенне, работающей на длине волны X = 1 м. Оценка, произведенная по формуле x=L2/4/X, дает расстояние примерно 60 метров, которое, при сравнении с типичной протяженностью базы просветного радиолокатора для обнаружения воздушных целей (30 км), приводит к выводу, что используемое выражение для двухпозиционной ЭПР справедливо практически во всей области контролируемого пространства. Тот же самый расчет, проведенный для наземного просветного радиолокатора, дает порядок для дальней зоны равный 100 метрам при использовании следующих численных данных: размер объекта 180 см, длина волны 1 см. Приведенная оценка, сопоставленная с размером базы наземного просветного радиолокатора, показыает, что используемое выражение для двухпозиционной ЭПР не годится для использования в ближней просветной радиолокации. В свете сказанного следует вывод о том, что необходима разработка новой модели, описывающей дифракционное поле, которая была бы справедливой не только в дальней, но и ближней просветной радиолокации.

Для расчета информационных сигналов, формируемых приемником наземной просветной радиолокационной системы в [9] предлагается использовать нормализованную функцию пространственной когерентности, фиксированную для каждой точки местонахождения цели на заданной пространственно-неразрывной траектории движения между границами контролируемого пространства, которые цель пересекает при входе и выходе из зоны. Там же этот метод характеризуется высокой вычислительной трудоемкостью, из-за чего требует создания специального программного обеспечения.

Для описания характеристик выходных сигналов в работах [2,5,10] по просветной радиолокации используется модель доплеровских сигналов. На основании такой модели часто строится модель обработки сигнала в просветной радиолокации. При этом не уделяется должного внимания присутствию дифракционной компоненты в принимаемом сигнале, учет которой мог бы привести к улучшению характеристик просветного радиолокатора увеличением возможных информационных признаков, необходимых для распознавания целей. Формирование сигнала на основе рассеянного поля, определяемого теневой апертурой, для воздушных целей рассмотрено в работах [1,7,11].

Работа [11], посвященная исследованию возможности классификации целей на основе метода теневого инверсного радиолокационного синтезирования апертуры по регистрируемым просветным радиолокатором сигналам, также основана на использовании двухпозиционной ЭПР, определяемой как квадрат модуля преобразования Фурье от теневой апертуры, что затрудняет использование разработанных методов для классификации наземных движущихся целей.

Из приведенных рассуждений и оценок следует, что для описания формирования информационных сигналов в наземном просветном радиолокаторе должен быть разработан новый метод с учетом специфики функционирования наземных просветных радиолокационных систем. Данный метод должен допускать относительно простую численную реализацию и учитывать особенности применяемых апертурных антенн, формирующих в контролируемом пространстве узкие пучки волн.

Проблема отражения и рассеяния волн на границах с хаотическими неровностями представляет значительный интерес для исследователей в виду того, что она возникает в таких областях как радиолокация, связь, дистанционное зондирование суши, океана и поверхностей планет. В настоящее время значительная часть предлагаемых моделей отражения и рассеяния основываются на методе Кирхгофа или касательной плоскости, методе малых возмущений, двухмасштабной модели.

Метод касательной плоскости [12,13] основан на предположении о том, что рассеивающая поверхность является гладкой на столько, что вблизи каждой ее точки поле может быть представлено в виде суммы двух составляющих: падающего поля и поля, отраженного от касательной плоскости, проведенной к поверхности в этой точке. Отраженное поле рассчитывается по законам геометрической оптики с использованием френелевских коэффициентов отражения.

В методе малых возмущений в качестве малого параметра выбирается какая либо характеристика хаотической поверхности — высота или наклон, малая по отношению к длине волны, после чего используемые величины раскладываются в ряд по степеням малых параметров [12, 13].

Двухмасштабная модель является комбинацией метода касательной плоскости и метода малых возмущений, когда хаотически неровная поверхность имеет вид крупномасштабных неровностей, в которых может быть выделена более мелкая структура [12].

С момента появления этих моделей до настоящего времени было проведено значительное количество исследований для определения области применимости этих моделей, что показало их состоятельность для широкого круга приложений [14-18].

По мере накопления новых экспериментальных данных появлялись области, в которых аналитические методы приводили к значительным погрешностям. Происходящий в то же время прогресс в области вычислительной техники стимулировал развитие численных методов для решения задач рассеяния на хаотически неровных поверхностях.

Значительная часть численных методов базируется на интегральной формулировке граничной задачи, когда в общем случае трехмерная задача сводится к двумерному поверхностному интегралу с использованием функции Грина [19].

К наиболее часто используемым численным методам можно отнести: метод моментов, дискретную дипольную аппроксимацию, метод с использованием матриц Теплица и быстрого алгоритма преобразования Фурье и метод сопряженных градиентов [19].

В [19] указывается также, что многие практические задачи, такие как рассеяние при малых углах скольжения падающей волны или поверхности с большой длиной корреляции рассматриваются как проблемы большего масштаба, так как требуют проведения расчетов для значительной площади хаотически неровной поверхности. Для чего необходимы более эффективные вычислительные методы.

В большинстве моделей отражения и рассеяния на хаотически неровных поверхностях в качестве первичных источников волн чаще всего используются гипотетический точечный источник сферических волн или бесконечно протяженный источник плоской волны, электрический или магнитный диполи.

С переходом к более коротким длинам волн сантиметрового и миллиметрового диапазона в экспериментальных исследованиях, а также широким использованием апертурных антенн, формирующих узкие пучки волн, применение перечисленных моделей, не учитывающих особенности передающей и приемной антенн, для описания экспериментальных данных оказывается недостаточно точным. Поэтому весьма желательно рассмотреть возможность учета в моделях направленных характеристик используемых в экспериментах антенн. Требуется разработка адекватных моделей, построенных для более широкого класса излучателей. В качестве такого класса в диссертационной работе было решено рассмотреть класс апертурных излучателей с размерами апертур много больше длины волны. А в качестве метода описания - спектральный метод, основанный на разложении распределения комплексной амплитуды в угловой спектр плоских волн и использовании угловой характеристики слоя пространства. Именно этот подход оказывается более удобным, чем подход, основанный на интегральной формулировке задачи дифракции, для выбранного класса излучателей. В качестве проверки состоятельности данного подхода, данные моделирования должны быть сопоставлены с результатами экспериментов.

Современные радиолокаторы можно условно разделить условно на два класса: радиолокаторы в которых используются видеоимпульсные сигналы и радиолокаторы с использованием гармонических модулированных или смодулированных сигналов. Характерной особенностью радиолокаторов второго типа является возможность получать изображения малозаглубленных предметов непосредственно, без какой либо последующей обработки [20]. Изображения получаются методом сканирования приемо-передающим антенным блоком по поверхности раздела двух сред. Получаемые таким образом изображения формируются в соответствии с принципом формирования голограммы [20, 21] поскольку в формировании получаемого изображения участвуют два сигнала - опорный и предметный. Опорный сигнал получается в результате неизбежной электродинамической связи между передающей и приемной антенной, расположенных в одном антенном блоке, как это имеет место в радиолокаторе типа «Раскан» [20], либо подмешиванием опорного сигнала из задающего генератора в приемник на основной или промежуточной частотах. Предметный сигнал получается в результате отражения от предметов, находящихся под поверхностью. Опорный сигнал является аналогом опорной волны при записи оптических голограмм, а сигнал, отраженный от заглубленных предметов, является аналогом предметной волны, отраженной от голографируемого объекта.

Для восстановления изображения заглубленного предмета, которым считается представление о геометрическом расположении интерферирующих источников, дающих интерференционную картину в виде голограммы, исследователями предлагаются перечисляемые ниже методы.

В работе [20] предлагается метод, основанный на восстановлении голограммы методом апертурного синтеза. Данный метод основан на известном принципе обработки данных радиолокаторов с синтезированием апертуры, когда мера отражательных характеристик данной точки зондируемого объекта получается в результате свертки принимаемого сигнала с ожидаемым опорным сигналом из этой же точки [22]. Непосредственное применение данного метода к подповерхностной радиолокации наталкивается на трудности, связанные с тем, что амплитуда опорного сигнала зависит от дальности, на которой восстанавливается изображение, приводя к тому, что результирующая свертка может иметь большее по модулю значение для меньшей опорной дальности, чем действительная дальность до зондируемого предмета. Для преодоления этого недостатка в работе [20] используется нормировка используемого опорного сигнала по энергии. Отсутствие априорной информации об изменении фазы при отражении от заглубленного предмета приводит к ошибкам данного метода, которые выражаются в том, глубина фокусировки изображения зависит от задаваемой фазы для опорного сигнала.

В работе [23] для восстановления изображений подповерхностного зондирования предлагается метод миграции. В этом методе изображение точечного рассеивателя получается в результате вычисления корреляции распространяемого обратно в среду рассеянного поля и поля, распространяющегося в среду непосредственно от излучателя, возбуждающего электромагнитные волны. В данном методе рассматривается J14M зондирующий сигнал и для рассматриваемого типа радиолокаторов непосредственно неприменим.

Ряд работ посвящен решению обратной задачи с использованием линеаризации интегрального уравнения Липпмана-Швингера [24,25]. В работе [24] для восстановления изображения предметов, скрытых под одеждой человека, по результатам радиолокационных данных голографического типа с использованием многочастотного сигнала предлагается метод, основанный на линеаризации интегрального уравнения Липпмана-Швингера с использованием приближения слабого рассеяния (приближение Борна). Данный метод обладает значительной вычислительной трудностью, хотя и допускает возможность дальнейшей оптимизации вычислений с использованием специализированных сигнальных процессоров и предварительным вычислением интерполяционных матриц.

Ряд исследований посвящен разработке методов, которые основаны на так называемом алгоритме обращения времени [26,27], смысл которых заключается в том, что принимаемый сигнал, распространяемый обратно в среду, может быть сфокусирован вблизи места расположения предмета. В работе [26] для фокусировки по дальности используются когерентная компонента сигнала с линейной частотной модуляцией, а для фокусировки изображения в перпендикулярной плоскости используются статистические моменты высших порядков. Особенностью такого метода является наблюдаемый эффект сверхразрешения (super resolution), который заключается в том, что наличие укрывающей среды с многократным рассеянием приводит к лучшей фокусировке изображения, чем в условиях, когда зондирование осуществляется в свободном пространстве.

Для сканирующего радиолокатора типа «Раскан», использующего смодулированные гармонические сигналы на нескольких частотах, желательно разработать метод, способный работать в реальном режиме времени, для оперативной классификации изображений оператором. При этом желательно, чтобы аппаратная модификация самого радиолокатора была незначительной. Существующие методы восстановления изображений не могут непосредственно использоваться для решения этой задачи в виду их значительной вычислительной трудности, либо из-за того, что потребуют существенной модификации радиолокатора.

Для решения этой проблемы в диссертации предлагается рассмотреть метод построения изображений по данным подповерхностного голографического зондирования с использованием метода обращения волнового фронта, который существует для восстановления оптических голограмм [28]. Описание данного метода с использованием оптических методов обработки информации приводится в работе [21]. Существующий на сегодня уровень развития вычислительной техники позволяет проделать процедуру восстановления голограммы численно без привлечения оптического метода обработки информации, который заключался бы в изготовлении оптического транспаранта по данным радиоголографического зондирования и последующего восстановления оптической голограммы с использованием когерентных источников излучения оптического диапазона. Численная реализация данного метода с использованием спектрального метода может решить данную задачу в реальном масштабе времени, поскольку такая обработка сигнала допускает быструю реализацию метода с использованием быстрого алгоритма преобразования Фурье. Таким образом, в качестве последней проблемы в диссертации планируется рассмотреть метод восстановления изображений по данным подповерхностного зондирования сканирующим радиолокатором непрерывного действия типа «Раскан» [20].

Целями диссертации являлись:

1) разработка теории, пригодной для расчета дифракционных сигналов и оценке энергетического потенциала в ближней просветной радиолокации, в частности, ближней просветной радиолокации наземных движущихся целей, допускающей простую численную реализацию и учитывающей особенности апертурных антенн, формирующих в пространстве узкие пучки волн;

2) разработка модели отражения узкого пучка волн хаотически неровной поверхностью с пологими неровностями и выяснение вопроса о влиянии диаграмм направленности апертурных антенн на точность моделей отражения электромагнитных волн от хаотически неровных поверхностей;

3) разработка метода восстановления изображений заглубленных предметов по данным подповерхностного зондирования, получаемым с помощью сканирующего подповерхностного радиолокатора непрерывного действия; модель должна допускать удобную численную реализацию, позволяющую восстанавливать изображения в реальном масштабе времени.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

3) сравнения результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными;

4) формулировки модели отражения электромагнитной волны хаотически неровной поверхностью, допускающей учет параметров узконаправленных антенн и нахождение ее асимптотического решения с использованием спектрального метода;

7) разработки методики восстановления изображений по данным радиоголографического подповерхностного зондирования, основанной не на определении расположения самих источников, а на определении распределения комплексной амплитуды в непосредственной от них близости;

8) выбора решения задачи п.7 с помощью метода восстановления волнового фронта известного из оптики, в котором был использован алгоритм быстрого преобразования Фурье и фильтрация углового спектра;

9) проведения численных расчетов, показывающих состоятельность предложенного метода.

Научная новизна.

2) На основе разработанного спектрального метода были получены новые аналитические выражения для:

Методы исследования. В диссертации использованы современные методы теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки сигналов и численного моделирования.

Достоверность научных положений была подтверждена сопоставлением разработанных методик и моделей с данными экспериментов.

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Аналитические решения задач дифракции узких пучков на:

• затеняющем объекте произвольной формы с характерным размером много больше длины волны;

• хаотически неровной пологой поверхности с гауссовым распределением высот и наклонов нормали.

2) Методика восстановления изображений по данным подповерхностного радиоголографического зондирования.

Практическая ценность результатов.

Методика расчета выходных сигналов просветного радиолокатора, основанная на разработанной теории дифракции узких пучков, может быть использована для моделирования характеристик разрабатываемой системы периметрического контроля с учетом диаграмм направленности используемых антенн, а также для расчета выходных сигналов при изменении формы объекта, проникающего в контролируемое пространство, расчета энергетического потенциала.

Предложенное выражение, связывающее средний коэффициент отражения хаотической поверхностью с ее статистическими характеристиками — дисперсией высот и наклонов, может быть использовано для вычисления оценки ожидаемых интерференционных замираний при функционировании радиолокационных систем вблизи хаотически неровных пологих поверхностей.

Данное выражение может быть использовано также для решения обратной задачи — определению статистических характеристик поверхности по данным двухпозиционных интерференционных измерений.

Областями применения результатов могут являться приложения просветной и подповерхностной радиолокации.

Список публикаций по теме диссертации

1. Андреев Г.А., Анцилевич М.А., Архипов B.JL, Журавлев А.В. Обнаружение наземных движущихся целей просветным радиолокатором. // Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. № 8. С. 827.

2. Andreyev G.A., Zhuravlev A.V. Detection of Moving Targets by Ground Bistatic Radar. // Proc. International Microwave Symposium, June 12-17, 2005, Long Beach, California.

5. Андреев Г.А., Журавлев А.В. Просветная радиолокация наземных движущихся целей. // Труды третьей научно-технической конференции «Радиооптические технологии в приборостроении», 12-16 сентября 2005 г., г. Сочи, Россия.

6. Андреев Г.А., Журавлев А.В., Кондранин Т.В. Моделирование голограмм, получаемых с помощью подповерхностного радиолокатора непрерывного действия. // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Том 5, 07-09 февраля 2006 г., г. Санкт-Петербург, Россия.

XXVIIIth General Assembly of International Union of Radio Science, October 23-29, 2005, New Delhi, India;

13th Conference on Microwave Techniques, September 26-28, 2005, Prague, Czech Republic;

International Microwave Symposium, June 12-17, 2005, Long Beach, California Третьей научно-технической конференции «Радиооптические технологии в приборостроении», 12—16 сентября 2005 г., г. Сочи, Россия; Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 7-9 февраля 2006 г., г. Санкт-Петербург, Россия; XL VIII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 25 - 26 ноября 2005 г., г. Долгопрудный, Россия;

ХЬУН научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 26 - 27 ноября 2004 г., г. Долгопрудный, Россия. Работа была поддержана грантом №34298 федеральной программы «Интеграция науки и высшего образования в Российской Федерации» в 2004 г., грантом РФФИ №05-02-27223з в 2005 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 71 страницу, включая 19 рисунков. Библиография включает 35 наименований.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы была разработана теория, которая может быть использована для расчета дифракционных сигналов и оценке энергетического потенциала в ближней просветной радиолокации, в частности ближней просветной радиолокации наземных движущихся целей. В результате было получено аналитическое выражение для комплексной амплитуды дифракционного поля узкого пучка волн на затеняющем объекте произвольной формы с характерным размером много больше длины волны в приближении Кирхгофа.

Для класса пологих хаотически неровных поверхностей решена задача дифракции пучка волн. Получено аналитическое выражение, связывающее среднее значение комплексной амплитуды отраженного поля с ее статистическими характеристиками — дисперсией высот и наклонов. Сопоставление данных моделирования с экспериментальными данными, полученными при измерении интерференционных замираний над хаотически неровной поверхностью снежного покрова, показало возможность оценки статистических характеристик подстилающей хаотически неровной поверхностью с пологими неровностями. Было показано, что пренебрежение диаграммами направленности используемых антенн приводило к значительной погрешности воспроизводимого в модели среднего коэффициента отражения.

С использованием спектрального подхода была решена задача дифракции пучка волн на точечном рассеивателе, находящимся в полупространстве, характеризуемом постоянным значением комплексной диэлектрической проницаемости. Предложен быстрый численный алгоритм восстановления изображений по радиоголограммам, получаемым с помощью сканирующего приемопередатчика непрерывного действия. Было показано, что восстановление радиоголограммы с удвоенным волновым числом, приводит к фокусировке изображения в действительном месте расположения скрытого под поверхностью рассеивателя. Использование при расчете спектрального метода с последующей фильтрацией углового спектра позволило избежать такого недостатка, существующего при восстановлении голограмм, как значительная интенсивность прошедшей опорной волны. Проведенное численное моделирование подтвердило состоятельность предложенного метода. На основе результатов численного моделирования приведены рекомендации по усовершенствованию подповерхностного радиолокатора непрерывного действия.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Журавлев, Андрей Викторович, Москва

1. Бляхман А.Б., Рунова И.А. Бистатическая ЭПР и обнаружение объектов при радиолокации «на просвет» // Радиотехника и электроника. — 2001. — Т.46, №4. - С.424-432.

2. Бляхман А.Б., Мякинькова А.В., Рындык А.Г. Пространственно-временная обработка сигналов в бистатической просветной РЛС с антенной решеткой // Радиотехника и электроника. 2004. - Т.49, №6. - С.707-717.

3. Глейзер Дж. И. Некоторые результаты по определению двухпозиционной ЭПО сложных объектов // ТИИЭР. 1989. - Т.77, №5. - С.8-18.

4. Датчик обнаружения «Пион-Т». Под ред. Н.В. Андрианова. М.: Глав, управление ВВ МВД СССР. 1982.

5. Foley Е., Cheal J., Нагшап К. Introducing intrepid digital microwave // Proc. 16th Annual NDIA Security Technology Symposium & Exhibition. June 26 -29, 2000, Williamsburg, VA, USA. (CD-ROM).

6. Garcia M.L. The Design and Evaluation of Physical Protection Systems. Pub.: Butterworth-Heinemann, 2001. 313 pages.

7. Chapursky V., Sablin V. SISAR: Shadow Inverse Synthetic Aperture Radiolocation // IEEE International Radar Conference. 2000. - Pp.322-328.

8. Glaser J.I. // IEEE Tr. on Aerospace and Electronic Systems v.AES-21, №1, January 1985.

9. Оленин Ю.А. Двухпозиционные радиосистемы обнаружения ближнего действия на основе высокочастотного рассеяния поля по направлению «вперед» // Усп. совр. радиоэлектроники. 2002. - №6. - С.3-26.

10. Бляхман А.Б., Ковалев Ф.Н., Рындык А.Г. Новое в радиолокации на пороге XXI века // Радиотехника. 2001. - №2. - С. 4-9.

11. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972.

12. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. 317 с.

13. Андреев Г.А., Черная Л.Ф. Рассеяние и излучение миллиметровых волн природными объектами // Радиотехника. 1988. - №2. - С.67-73.

14. Андреев Г.А., Черная Л.Ф. Интенсивности миллиметровых волн, рассеянных хаотическими поверхностями // Радиотехника и электроника. — 1981. T.XXVI, №6. - С. 1198-1206.

15. Андреев Г.А., Куковкин А.Г., Черная Л.Ф. Альбедо и индикатрисы рассеяния миллиметровых волн земными покровами с хаотическими неровностями // Радиотехника и электроника. 1988. - T.XXXIII, №7. — С.1352-1359.

16. Копилович Л.Е., Фукс И.М. Индикатрисы рассеяния и альбедо сильношероховатых поверхностей // Изв. высш. учебн. завед. Радиофизика. 1981. - T.XXIV, №7. - С.840-850.

17. Tsang L., Kong J., Ding К., Ao Ch. Scattering of electromagnetic waves. John Wiley & Sons, Inc., 2001. 705 pages.

18. Методы улучшения параметров радиоголографических устройств / Кухарчик П.Д. и др. // Методы и устройства радио- и акустической голографии: сб. науч. тр. / Лен.: Наука. 1983. - С.15-33.

19. Справочник по радиолокации. Под ред. Сколника М. Т.4. М.: Сов. радио, 1977.

20. Shlivinski A., Heyman Е., Langenberg К. Migration based imaging using the UWB bam summation algorithm // Proc. XXXIIth General Assembly of International Union Radio Science (URSI), October 23 29, 2005, New Delhi, India. (CD-ROM).

21. Bindu G., Kumar A., Lonappan A., Thomas V. Two-dimensional microwave tomographic imaging of biological objects // Proc. XXXIIth General Assembly of International Union Radio Science (URSI), October 23 29, 2005, New Delhi, India. (CD-ROM).

22. Gustafsson M. Iterative time reversal of electromagnetic wave fields // Proc. XXXIIth General Assembly of International Union Radio Science (URSI), October 23 29, 2005, New Delhi, India. (CD-ROM).

23. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. «Наука», 1970.

24. Фейнберг E.JI. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Наука, 1999.

25. Андреев Г.А. Пучки миллиметровых волн в наземных телекоммуникационных системах // Радиотехника и электроника. — 2001. — Т.46, №9. — С.1104-1113.

26. Воскресенский Д.И., Гостюхин B.JL, Максимов В.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Изд. МАИ, 1999.

27. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио, 1974.

28. Andreyev G.A., Korbakov D.A. Proc. 2nd IEEE Intern. Conf. on Circ. and Syst. for Commun. June 30 July 2, 2004, Moscow, Russia, 80.pdf.

29. Андреев Г.А., Мартынова 3.A., Хохлов Г.И. //Радиотехника. 1979. Т. 34, № 9. С. 87.

30. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягода А.Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990.