Введение к работе
Актуальность работы.
В последнее время все больше внимания уделяется комплексному мониторингу состояния морских акваторий. Его невозможно осуществить без знания пространственно-временных и спектральных характеристик морского волнения. Несмотря на высокоразвитую технологию дистанционного зондирования, достаточно остро стоит проблема разработки новых, более эффективных алгоритмов дистанционного мониторинга параметров взволнованной морской поверхности. Это невозможно реализовать без дополнительных исследований особенностей формирования пространственно-временной структуры рассеянных полей и статистических характеристик радиолокационных отражений.
Одним из подходов к таким исследованиям являются аналитические методы решения задачи рассеяния электромагнитных волн (ЭМВ) случайной шероховатой поверхностью. На сегодняшний день известно множество аналитических методов решений, однако, обобщенный теоретический подход в настоящий момент не разработан, а аналитические решения получают с определенными допущениями и упрощениями. Это ограничивает точность получаемых решений, так как реальные поверхности не являются однородными и стационарными.
Наряду с аналитическими методами, широко используются физические модели рассеяния ЭМВ, из которых наиболее перспективными являются феноменологические модели. В свою очередь феноменологические модели подразделяются по принципу представления полей рассеяния на лучевые и модели, базирующиеся на принципе Гюйгенса-Френеля. Последние позволяют наиболее полно учитывать всевозможные «локальные эффекты» отражения ЭМВ, что отмечено в ряде работ ПЛ. Уфимцева и А.Б. Борзова. Однако, такие модели не нашли широкого применения из-за высоких требований к вычислительным ресурсам. Тем не менее, с увеличением мощностей ЭВМ феноменологические модели стали использоваться все чаще. Основная причина кроется в том, что феноменологические модели более тонко передают взаимодействие ЭМВ с объектом локации. В работах А.Б. Борзова и Л.В. Лабунца расчет отраженного поля происходит на основании фацетной модели сосредоточенных целей, позволяющей синтезировать отражательные характеристики сложных радиолокационных объектов. Применение феноменологических моделей для расчета рассеянного поля от взволнованной морской поверхности, в известной автору литературе, детально не рассматривалось.
Таким образом, разработка новых алгоритмов дистанционного мониторинга требует проведения ряда натурных экспериментов по зондированию поверхности моря с борта летательного аппарата. Однако, подобные эксперименты являются чрезвычайно дорогостоящими мероприятиями, при проведении которых возникает сложность получения повторяющихся условий эксперимента. В связи с этим, замена натурных экспериментов по зондированию морской поверхности с борта летательного аппарата имитационным моделированием является актуальной научной задачей.
Цель работы.
Разработка имитационной модели рассеяния радиолокационного сигнала про-
тяженной квазипериодической поверхностью, призванной сократить финансовые и временные затраты на модернизацию и разработку дистанционных измерителей параметров морской поверхности для нужд гидроавиации.
Для реализации поставленной цели автором были решены следующие задачи:
Разработка имитационной модели рассеяния радиосигналов на протяженной шероховатой поверхности, с учетом пространственного положения носителя, параметров зондирующего сигнала и поверхности.
Оценка качества имитационной модели на основе сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными и аналитическими решениями, полученными для простейших отражающих поверхностей.
Анализ возможности использования сложных сигналов для измерения параметров пространственного энергетического спектра морского волнения неконтактным способом.
Объектом исследования является имитационная модель рассеяния радиолокационного сигнала протяженной квазипериодической поверхностью. В качестве предмета исследований выступают реализации сигнала, отраженного от поверхности, и динамические радиолокационные характеристики (РЛХ) поверхности. Поверхность представлена несколькими моделями пространственного энергетического спектра. Зондирование выполняется сигналами различных видов.
Методы исследования, применяемые в процессе выполнения работы, включают в себя методы описания рассеивающих свойств протяженных целей, аналитические методы описания рассеянного поля, методы математического моделирования взаимодействия ЭМВ с протяженными поверхностями, методы решения задачи рассеяния радиоволн на шероховатой поверхности.
Научная новизна.
-
Разработана имитационная модель рассеяния радиосигналов от протяженной морской поверхности, позволяющая учитывать пространственное положение носителя, параметры зондирующего сигнала и поверхности, эффекты затенения поверхности и переотражения между элементами поверхности.
-
Предложен алгоритм оценки спектральных составляющих пространственного энергетического спектра морского волнения с использованием сложного (согласованного) сигнала.
-
Разработан программный комплекс имитационного цифрового моделирования процесса отражения радиосигналов от морской поверхности, позволяющий заменить натурные эксперименты имитационным моделированием.
Достоверность и обоснованность полученных в работе научных результатов обеспечивается сходимостью результатов моделирования с данными, полученными аналитически, и в ходе проведения натурных экспериментов. Это достигается обоснованным выбором основных допущений и ограничений в процессе моделирования, учетом значащих факторов, влияющих на адекватность модели рассеяния ЭМВ. Практическая ценность. 1. Полученные в диссертационной работе результаты использованы при модернизации измерителя морского волнения ИСХВ-1 для улучшения тактико-технических характеристик, а также при создании радиолокационного измерителя волнения РИВ-200 для гидросамолета БЕ-200. Проведенная верифика-
ция и валидация имитационной модели показали ее состоятельность. Созданный программный комплекс для моделирования отражений радиосигналов от морской поверхности, позволяет в 22 раза снизить финансовые затраты на проведение натурных экспериментов. 2. Предложенная методика оценки пространственного энергетического спектра морского волнения с использованием сложного сигнала, позволяет достигнуть относительных среднеквадратических ошибок измерений амплитуд спектральных составляющих пространственного спектра морского волнения в пределах 2-7%, относительной разрешающей способности по пространственным длинам морских волн в пределах 5-7%. Внедрение результатов работы:
Результаты диссертационной работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО НПЦ «Памир» г.Таганрог, ТАНТК имени Г.М. Бериева г. Таганрог, НКБ «Миус» г. Таганрог, а также нашли применение в учебном процессе ТТИ ЮФУ в курсе «Радиолокационные и радионавигационные системы» и при проведении плановых научно исследовательских работ студентов. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Имитационная модель рассеяния радиосигналов от протяженной морской поверхности, позволяющая учитывать пространственное положение носителя, параметры зондирующего сигнала и поверхности, эффекты затенения поверхности и переотражения между элементами поверхности.
-
Алгоритм построения импульсной характеристики отражения взволнованной морской поверхности, эффективный для реализации параллельных вычислений. Оценка временной сложности алгоритма.
-
Методика верификации и валидации предложенной имитационной модели. Оценка экономической эффективности имитационного моделирования.
-
Алгоритм определения спектральных составляющих пространственного энергетического спектра развитого морского волнения неконтактным способом, с использованием сложного (согласованного) сигнала.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были доложены на 11 симпозиумах и конференциях, в том числе и Международных, что отражено в списке публикаций автора.
Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в 17 печатных работах. Было опубликовано 4 тезисов докладов и 13 статей в различных изданиях, в том числе 3 в Международных и 3 в изданиях входящих в перечень ВАК. Выполнена НИР в рамках государственного контракта 5488р/7969 от 17.12.2007.
Личный вклад автора.
Автор самостоятельно выполнил все этапы диссертационного исследования, проведя анализ проблемы, постановку задачи, планирование научных исследований и экспериментов^ обработку и обобщение полученных результатов. Автором разработан программный комплекс имитационного цифрового моделирования отражения радиосигналов от морской поверхности. Результаты работ других авторов, непосредственно используемые в диссертационном исследовании, представлены библиографическими ссылками.
Все основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 209 с, в том числе 121 с. основного текста, иллюстрирована 56 рисунками и 6 таблицами. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 151 наименований на 11 с. и 5-ти приложений на 43 с.
