Введение к работе
Актуальность работы. Исследования геофизических объектов радиолокационными методами имеют уже полувековую историю и интерес к этому научному направлению только возрастает. Это связано как с широкой областью применения результатов дистанционного зондирования в целях гражданского и военного назначения, так и сложностью задач интерпретации результатов радиолокационных исследований геофизических объектов. Последнее, по существу, определяется сложностью решения обратной задачи, то есть сложностью восстановления значений одного или нескольких параметров зондируемого объекта, представляющих интерес для исследований.
Сложность геофизических объектов как радиолокационных целей потребовала компромисса - перехода от решения обратной задачи дистанционного зондирования в классической форме к задаче распознавания образов, предполагающей разбиение всех геофизических объектов на достаточно большие кластеры с последующим определением принадлежности лоцируемого объекта тому, или иному кластеру.
Такой подход, однако, предполагает создание достаточно большой и дорогостоящей базы данных - результатов экспериментальных наблюдений, предполагающих не только радиолокационное зондирование, но и соответствующие наземные наблюдения, измерения, описания лоцируемых объектов.
Повысить эффективность описываемого подхода можно, используя методы математического моделирования. Последнее предполагает выбор модели геофизического объекта и, что составляет основную проблему, решение задачи (как правило, численное) о взаимодействии зондирующего поля с выбранным объектом и вычисление отражённого сигнала, регистрируемого радиолокационной станцией (РЛС).
Отметим, что без последнего этапа - расчёта преобразований поля в РЛС, задача моделирования оказывается незавершённой, поскольку только принимаемые РЛС сигналы дают наблюдаемые величины, которые могут быть сопоставлены с результатами натурных экспериментов.
В диссертационной работе в качестве модели геофизического объекта рассматривается периодически возмущённая поверхность, электродинамические характеристики среды под которой меняются с глубиной, образуя сложную слоистую структуру. Интерес к моделям такого рода обусловлен не только практической стороной применения результа-
тов, но и чисто научными аспектами, поскольку получение отражательных характеристик таких многослойных объектов, не являющихся плоскослоистыми средами, стандартными методами поверхностного рассеяния встречает серьёзные затруднения.
Изложенное выше позволяет рассматривать задачу замены дорогостоящих натурных экспериментов исследованием математических моделей радиолокационного зондирования геофизических объектов, как актуальную научную задачу.
Цели и задачи исследования.
Целью работы является разработка и исследование модели радиолокационного зондирования многослойной периодически возмущённой земной поверхности как альтернативы дорогостоящим натурным экспериментам.
Для достижения указанной цели были рассмотрены и решены следующие задачи:
-
Проведён анализ существующих методов описания взаимодействия электромагнитного поля с неровной поверхностью и выбран метод, адекватный задаче рассеяния поля многослойной периодически возмущённой границей раздела сред.
-
Построена математическая модель взаимодействия произвольно ориентированной в пространстве плоской монохроматической электромагнитной волны с многослойной периодически возмущённой земной поверхностью с учётом эффектов многократного рассеяния и некомпланарной дифракции.
-
Исследованы модельные амплитудно-фазовые и поляризационные характеристики углового спектра электромагнитного поля, отражённого земной поверхностью.
-
Проанализированы существующие методы моделирования трансформации отражённого поля в приёмо - передающих антеннах РЛС.
-
Разработана математическая модель регистрирующей системы, преобразующей угловой спектр отражённого геофизическим объектом поля в наблюдаемые сигналы в блоке СВЧ РЛС.
Объект исследования: процесс радиолокационного зондирования земной поверхности.
Предмет исследования: математическое моделирование трансформации электромагнитного поля при его взаимодействии с земной поверхностью и при регистрации РЛС отражённого сигнала.
Методы исследования.
В работе использованы результаты и методы математического анализа, тензорного исчисления, теории дифференциальных и интегральных уравнений, высших трансцендентных функций, теории функций комплексной переменной, линейной алгебры и численного моделирования.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
рассмотрена и решена задача о взаимодействии падающего под произвольным углом электромагнитного поля с многослойной периодически возмущённой земной поверхностью с учётом эффектов многократного рассеяния и некомпланарной дифракции;
проведены численные эксперименты по исследованию отражательных характеристик модели периодически возмущённой многослойной земной поверхности при поляризационном сканировании зондирующего поля;
предложен новый подход к расчёту отражательных характеристик рефлектора антенны РЛС, основанный на его представлении как участка нерегулярного волновода.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
заменять дорогостоящие натурные эксперименты по землеобзору численным моделированием;
интерпретировать результаты радиолокационного зондирования пахотных земель в засушливый, дождливый периоды, моделировать величипу снежного покрова и глубину промерзания почвы;
прогнозировать эффективность применения поляризациотгого сканирования с учётом кросс-поляризационных эффектов, обусловленных взаимодействием излучения
со слоистой периодически возмущённой поверхностью и конечной шириной диаграммы направленности РЛС.
Результаты, выносимые на защиту.
-
Разработанная комплексная математическая модель радиолокационного зондирования земной поверхности, основанная на моделировании реальных электродинамических процессов, протекающих в системе, и включающая в себя как описание взаимодействия излучения с геофизическим объектом, так и процесс преобразования отражённого электромагнитного поля в принятый РЛС ВЧ - сигнал.
-
Разработанная математическая модель взаимодействия векторного электромагнитного поля произвольной поляризации с многослойной периодически возмущённой поверхностью, корректно учитывающая эффекты многократного рассеяния и некомпланарной дифракции.
-
Демонстрация работоспособности и потенциальных возможностей разработанной модели, на примере серии численных экспериментов, описывающих как зондирование поверхности под произвольными углами, так и поляризационное сканирование зондирующего поля.
-
Построенная в рамках комплексной математической модели радиолокационного зондирования модель антенного блока РЛС, преобразующая угловой спектр отражённого поля в наблюдаемые сигналы в блоке СВЧ.
Достоверность научных результатов подтверждается тем, что полученные результаты основываются на использовании базовых научных теорий с использованием моделей, адекватно отображающих протекающие в системе физические процессы, а также корректностью использования математического аппарата. Достоверность численных экспериментов проверялась с помощью теоремы Пойнтинга, контролирующей вьшолнение энергетического баланса.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международная молодежная научная конференция «XL Гага-ринские чтения» МАГИ (Москва 2014), Progress in Electromagnetic Research Symposium
(PIERS, Стокгольм 2013), Международная научно-техническая конференция в МГГУ ГА «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» МГ-ТУ ГА (Москва 2013, 2011).
Публикации по теме. По теме опубликовано 7 работ, включая 3 статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы из 98 наименований. Общий объем работы составляет 158 страниц, включая 28 рисунков.
