Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В системе методов дистанционного зондирования Земли (ДЭЗ) активной радиолокации отводится весьма существенная роль. Важным направлением ДЗЗ, применяемым при решении целого ряда задач геодезии, метеорологии и океанологии, стало в последние два десятилетия использование прецизионных спутниковых радиовысотомеров (РВ). При этом ввиду жестких требований, предъявляемых к относительной точности определения дальности в таких измерениях (порядка Ю-7), возникает необходимость учета влияния морского волнения на величину задержки отраженного радиоимпульса. В последние годы этому вопросу, называемому также проблемой электромагнитного смещения (ЭМС) измеряемого уровня поверхности, уделяется большое внимание. Результаты низковысотных экспериментов по изучению ЭМС говорят о необходимости изучения зависимости данного эффекта от частоты излучения.
Проведение исследований в этом направлении сопряжено с необходимостью использования многодиапазонных средств радиолокационного (РЛ) зондирования, способных при работе на малых расстояниях обеспечивать как разрешение по дальности порядка единиц сантиметров, так и однозначность измерений. При этом далеко не последнюю роль играет требование простоты технической реализации и предпочтительности использования стандартной измерительной аппаратуры. Выбор типа таких РЛ средств зависит в значительной степени от используемого зондирующего сигнала.
Перспективность использования зондирующего сигнала в виде широкополосного шума для проведения высокоточных РЛ измерений обусловила большой интерес к методам шумовой радиолокации в течение последних двух десятилетий. Благодаря созданию генераторов стохастических колебаний в 80-е годы существенно упростилась процедура генерации широкополосных и сверхширокополосных шумовых сигналов по сравнению с проблемой формирования мощных импульсов с соответствующей шириной полосы частот.
Использование наиболее естественного способа обработки шумовых сигналов - корреляционного - наталкивается в ряде случаев на отсутствие (из-за определенных технических сложностей) серийных приборов, удовлетворяющих требованиям к коррелятору РЛС. Вместе с тем известен способ обработки шумового сигнала путем двойного спектрального анализа (ДСА), исследовано его применение для опре-
деления расстояния до отражателей в длинной линии передачи и указано на принципиальную возможность его использования в радиолокации (Пуарье, 1968). Известны также некоторые теоретические варианты усовершенствования данного метода (Залогин, Калинин, 1980, 1982).
Степень реализации потенциальных возможностей шумового сигнала при РЛ зондировании определяется конкретными характеристиками способа обработки этого сигнала. Однако основные характеристики метода ДСА для случая конечного времени анализа и его возможности при зондировании шероховатой поверхности (и, в частности, поверхности моря) остаются неизученными; отсутствуют данные о его практическом применении.
Все вышеперечисленное, в основном, и определяет актуальность и направленность проведенных исследований.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является теорети-тическое и экспериментальное исследование особенностей шумовой радиолокации с двойным спектральным анализом как средства изучения взволнованной морской поверхности. Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
расчет отношения сигнал/шум (с/ш) для случая РЛ зондирования неподвижной цели при обработке шумового сигнала путем двойного спектрального анализа;
определение основных зависимостей отношения с/ш от условий зондирования и параметров радиолокатора;
определение условий применимости метода двойного спектрального анализа в случае движения цели;
теоретическое исследование возможности использования метода ДСА шумового сигнала в целях радиовысотометрии над шероховатой (морской) поверхностью;
- теоретическое исследование возможности оценки параметра
шероховатости поверхности при дистанционном зондировании шумовым
сигналом с ДСА;
создание многодиапазонного макета шумового радиолокатора с ДСА и определение его основных характеристик;
проведение измерений по низковысотному зондированию взволнованной морской поверхности с применением созданного макета радиолокатора .
Работа выполнялась в период 1986-1992 гг. в рамках поисковой
тем, что crj время усреднения сигнала в полосе фильтра смєцешкз цели должно онть иного менызе по крайней мере половины минимальней длины волны используемого сигнала.
3. Теоретически исследована применимость метода двойного
спектрального анализа аумового сигнала при зондировании серохова-
тей поверхности з целях радловысотсметрии. Теоретически рассмотре
ны два альтернативных подхода к вопросу усреднения спектров. Впер
вые показано, что при реализащш первого подхода, заключающегося з
усреднении первичного спектра, последний может не содержать осо
бенности, характеризующей дальность до среднего уровня поверхнос
ти, обоснована процедура определения расстояния до подстилающей
шероховатой поверхности по высокочастотной части усредненного вто
ричного спектра.
4. Теоретически исследована возможность определения параметра
шероховатости подстилающей поверхности при использовании радиолокации с двойным спектральным анализом шумового сигнала. Впервые показано, что ширина высокочастотной части вторичного спектра определяется, в частности, величиной среднеквадратичного отклонения отражающих точек от среднего уровня, т.е. параметром шероховатости поверхности, что может Оыть использовано для оценок этого параметра.
5. Создан и экспериментально исследован в натурных условиях многодиапазонный макет шумового радиолокатора, использующий метод двойного спектрального анализа. Экспериментально определены его основные характеристики (точность измерения дальности, величина отношения сигнал/шум). Показано, что достигнутая точность измерения дальности составляет не хуже 10 см при теоретическом значении 7.5 см.
6-. Обоснована возможность и целесоооразность использования метода радиолокации с двойным спектральным анализом шумового сигнала в экспериментах по изучению проолемы электромагнитного смещения измеряемого уровня морской поверхности. 0 помощью созданного макета радиолокатора проведены измерения в трех диапазонах длин волн (10 см, 3 см и 8 мм), результаты которых могут Оыть использованы для изучения обратного отражения шумовых сигналов от взволнованной морской поверхности.
основные, выносимые на защиту положения диссертации, имеющие принципиальное, оОщефизическое значение, заключаются в следующем:
При радиолокационном зондировании с двойным спектральным анализом шумового сигнала существует определяемое главным образом оазой сигнала предельное значение отношения сигнал/шум, которое не может оыть повышено путем увеличения мощности передатчика.
При зондировании шероховатой поверхности шумовым сигналом и обработке этого сигнала путем двойного спектрального анализа возможно определение дальности до среднего уровня этой поверхности по положению максимума высокочастотной части усредненного вторичного спектра, а также оценка параметра шероховатости этой поверхности по ширине высокочастотной части указанного спектра.
обоснованность научных положений и выводов. Достоверность на-учных положений и выводов, сформулированных в диссертации, доказывается при сопоставлении данных теоретического анализа и результатов проведенных экспериментов. Их количественное соответствие сви-
7*
детельствует о справедливости использованного подхода к анализу рассматриваемых явлений.
Практическая ценность и прикладное значение. Полученные в диссертации результаты по исследованию характерных особенностей метода радиолокации с двойным спектральным анализом шумового сигнала могут оыть использованы при создании относительно недорогих устройств, построенных на основе серийно выпускаемой промышленной апаратури и реализующих высокое разрешение по дальности.
Пуоликации результатов диссертации и личный вклад автора.
По материалам диссертации опуоликовано 6 работ, в том числе 2 - в центральной печати ("Радиотехника и электроника"). Автору принадлежит проведение теоретических расчетов по вопросу зондирования шумовым сигналом шероховатой поверхности и по определению отношения сигнал/шум для радиолокатора с ДСА, анализ полученных теоретических результатов, расчет и построение макета радиолокатора (исключая систему регистрации данных на персональный компьютер); участие совместно с сотрудниками ИРЭ РАН в проведении и анализе результатов экспериментов по определению характеристик локатора и измерению ооратного отражения шумовых сигналов от взволнованной морской поверхности.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Радар-87" (Лондон, 1987); Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды (Рига, 1986); межведомственном научно-техническом совещании "Статистические методы и системы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды" (Минск, 1989); XYI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990).
