АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОБАЗОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

Введение

На сегодняшний день обработка информации в многопозиционных радиолокационных измерительных системах выходит на принципиально новый технологический уровень. Однако принципы формирования, приема и обработки сигналов с поляризационными различиями, в таких системах, изучены недостаточно. Необходимы математические выражения для корректного описания сигналов с поляризационными различиями.

Под малобазовой радиолокационной системой будем понимать систему, для которой антенны всех позиций, как передающих, так и приемных, находятся в пределах средней ширины лепестка диаграммы обратного рассеяния облучаемого объекта [1]. Фронт падающей на антенны волны считается плоским.

В общем случае, возможны различные варианты построения мало базовых систем [2]. Ниже будет рассмотрен вариант малобазовой поляризационной измерительной системы (МПИС) с одной передающей и двумя приемными позициями

Структура малобазовой поляризационной измерительной системы МПИС состоит из трех позиций. Одна позиция состоит из передающего устройства и антенны. При этом, антенна может поочередно излучать сигналы двух ортогональных линейных поляризаций (вертикальная и горизонтальная). Вторая и третья позиция, состоящие из антенн и приемных устройств принимают отраженные от объектов сигналы, причем каждая  только на  одной линейной поляризации (вертикальной и горизонтальной поляризации).

В качестве антенн может выступать активная антенная решетка (АФАР) с определенным сектором электронного сканирования диаграммой направленности (ДН) [1]. При этом, алгоритм сканирования должен обеспечивать излучение и прием сигналов с каждой позиции в одном и том же угловом направлении. Это позволяет одновременно принимать отраженный от одного и того же объекта сигнал на обе приемные позиции.

В результате функционирования такой МПИС производится измерение поляризационной матрицы рассеяния (ПМР) или поляризационного вектора рассеяния (ПВР) объекта [3].

Для обеспечения измерения ПВР необходимо, чтобы были поочередно излучены сигналы двух ортогональных поляризаций. Прием отраженных сигналов необходимо проводить одновременно на обе позиции, для  каждого излученного сигнала. В этом случае  возможно сформировать ПВР  облучаемого объекта [3]

где: U – комплексные амплитуды на выходе приемных каналов, индекс g обозначает горизонтальную поляризацию, индекс v вертикальную, первый индекс при U обозначает излучаемую поляризацию, второй – принимаемую (например, горизонтальной).Úvg (t, R) –    был излучен сигнал на вертикальной поляризации, а принят на горизонтальной).

На рис. 1 приведена структура трех позиционной МПИС, с одной передающей и двумя приемными позициями. Символом Pp обозначена передающая позиция. Символом Pprg приемная позиция, осуществляющая прием сигналов горизонтальной поляризации, символом Pprv приемная позиция, осуществляющая прием сигналов вертикальной поляризации. Символом О обозначен условный фазовый центр. R – расстояние от условного фазового центра до сканируемого  объекта. Символами rv, rg и rp обозначены расстояния от антенн до объекта для каждой позиции, соответственно. В общем случае направление на объект может не совпадать с перпендикуляром к условному фазовому центру и может составлять некий угол 𝛼.  Расстояния Δr_v = R - r_v , а Δr_g= R - r_g . Эти расстояния будут определять разности набега фаз отраженного сигнала, относительно условного фазового центра.

В общем случае, антенны всех позиций могут иметь различные характеристики направленности, соответственно и коэффициенты усиления (КУ) антенн будут отличаться. База между позициями характеризуется расстоянием B. Таким образом, для МПИС расстояния v B и g B должны быть на много меньше R.

Представления излучаемых и принимаемых сигналов в МПИС

Излученный сигнал с вертикальной поляризацией может быть записан как напряженность электромагнитного поля в виде [4] 

Далее введем ряд упрощений и ограничений, обусловленных особенностями МПИС.

Анализ свойств сигналов и требования к характеристикам МПИС

Для трех позиционной МПИС полученные выражения позволяют выявить некоторые характерные особенности функционирования системы.

Амплитуды отраженных сигналов (в данном случае имеется в виду энергетика) практически не  зависят от расположения позиций малобазовой системы. Это определяется тем, что базы Bv  и Bg на много меньше rv и rg расстояний , никакого существенного влияния на амплитуду сигналов влияния не   оказывают. 

Энергетические характеристики принимаемых сигналов будут, в основном, определяться ЭПР объекта на различных поляризациях. Прослеживается непосредственная зависимость от характеристик объекта, при отражении от него зондирующих сигналов различных поляризаций.

Кроме этого, на энергетические характеристики сигналов будут оказывать влияние технические характеристики аппаратуры позиций. Если на излучение используется одна и та же позиция, то прием осуществляется на разные позиции. К таким характеристикам можно отнести коэффициенты усиления антенн, коэффициенты усиления приемных трактов, мощности излучаемых сигналов, уровень собственных шумов приемных трактов.

Фазовые характеристиками будут определяться длиной волны, размерами баз и угла отклонения ДН антенн от нормали (угол a  на рис. 1). В связи с этим начальные фазы (набеги фаз) на приемных антенных будут отличаться, причем существенно. Полученные выражения позволяют получить численные выражения для начальных фаз на антеннах обоих приемных позиций и учесть при обработке. В частности, при вычислении корреляций принятых сигналов. Фазовый центр системы можно привязать к любой условной точке в пределах базы B, включая центры антенн любой из трех позиций.

Заключение

Анализ структуры трехпозиционной МПИС и полученные представления сигналов с поляризационными различиями позволяют сделать следующие выводы.

Для исключения влияния технических характеристик необходимо создавать приемные тракты таких позиций как можно более идентичными. Если это требование не достижимо, то необходимо априорное знание технических приемных трактов для учета при совместной обработке информации. При этом, признаки, используемые для обнаружения и распознавания отраженных от объекта сигналов, будут определяться характеристиками самих объектов.

Для эффективной корреляционной обработки принимаемых сигналов, необходима точная синхронизация между обоими приемными и передающей позициями. Это существенно снизит ошибки в определении разности фаз принимаемых сигналов.

Список литературы

1.       Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория: справочник / под редакцией Я.Д. Ширмана, 2-е изд., переработанное и дополненное, М.: Радиотехника, 2007, 512 с.

2.       Черняк В.С. О новых и старых идеях в радиолокации: MIMO РЛС. / Успехи современной радиоэлектроники, № 2, 2011 г., с. 5-20.

3.       Decisive rule experimental studies to detect objects on the background of the earth surface using polarization differences of radar signals / Ekaterina V. Burdanova., Evgeniy G. Zhilyakov, Aleksandr V. Mamatov, Aleksandr N. Nemtsev, Ivan I. Oleynik // COMPUSOFT, An International Journal of Advanced Computer Technology 8(6), (2019), pp. 3166-3170.

4.       Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. Л.: Судостроение, 1968, 328 с.

5.       Бакулев, П.А. Радиолокационные системы: учебник для вузов. М.: Радиотехника, 2004, 320 с.

6.       Использование статистических моделей для оценок характеристик радиолокационных систем с поляризационной обработкой информации при принятии решения о наличии объектов на фоне подстилающей поверхности / Е.В. Бурданова, А.П. Денисов, О.Д. Дикуль, Ю.П. Новоченко, И.И. Олейник // Вопросы радиоэлектроники, серия «Радиолокационная техника», Москва, Вып 2, 2008.

7.        Киселев А.З. Теория радиолокационного обнаружения на основе использования векторов рассеяния целей. 2-е изд. СПБ.: Наука. 2005.- 295 с.