Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в различных областях жизнедеятельности человека интенсивно развиваются технологии дистанционного зондирования, направленные на извлечение и использование некоординатной информации о техногенных объектах и различных природных средах при их мониторинге. Под некоординатной информацией имеются в виду сведения о типе и свойствах исследуемого объекта, конфигурации и его линейных размерах (физические, электрофизические и геометрические параметры).
Развитие указанных технологий не в последнюю очередь объясняется негативным влиянием человеческой деятельности на экологическую обстановку и необходимостью проведения различных геофизических и гидрофизических исследований.
Основными методами решения различных задач мониторинга техно-
генных объектов и земных покровов являются разнообразные методы дистанционного зондирования, среди которых можно выделить оптические, активные и пассивные радиолокационные методы. Однако при их использовании возникают проблемы обеспечения высокой достоверности извлекаемой некоординатной информации и увеличения числа анализируемых информационных параметров.
Использование оптических методов серьезно ограничивается условиями, в которых производится мониторинг исследуемых объектов.
Существующие радиотехнические методы дистанционного зондирования протяженных объектов и природных сред в большей мере основаны на анализе энергетических характеристик электромагнитной волны, отраженной от анализируемых объектов.
Методы дистанционного зондирования, основанные на анализе только энергетических параметров отраженной электромагнитной волны, в большей степени исчерпали свои возможности. По этой причине использование информации, заложенной в поляризационных свойствах отраженной электромагнитной волны и в статистических параметрах ее поляризационных характеристик, дает дополнительные возможности для улучшения процедуры извлечения как координатной, так и некоординатной информации и повысить эффективность дистанционных исследований, конечной целью которых является определение физических, химических, геометрических и электрофизических характеристик объектов мониторинга.
Как показывают теоретические разработки и подтверждают экспериментальные исследования, при использовании радиополяриметрии открываются новые возможности для определения физических (соленость, влажность, состав фунта и т.п.), электрофизических (диэлектрическая
проницаемость и проводимость), геометрических (структура, неровность, шероховатость и т.п.) характеристик объектов мониторинга, получение которых при помощи известных методов дистанционного зондирования крайне затруднено. В этой связи, диссертационная работа, содержащая решение научной проблемы разработки и использования методов радио-поляриметрии для мониторинга природных сред и техногенных объектов, является актуальной.
Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка методов определения физических, химических, электрических и геометрических характеристик природных сред и техногенных объектов на основе анализа рассеянного и собственного радиоизлучения объектов мониторинга.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1.Провести анализ традиционных методов дистанционного определения физических, химических, электрических и геометрических характеристик природных сред и техногенных объектов мониторинга.
2.0ценить возможность и целесообразность применения радиополяри-метрии при дистанционном определении электрофизических и геометрических характеристик природных сред и техногенных объектов мониторинга.
З.Оценить возможность применения радиополяриметрии для определения электрофизических характеристик объектов мониторинга, обладающих свойствами нелинейного рассеивателя.
4.0пределить взаимосвязи электродинамических и поляризационных характеристик отраженных объектами мониторинга электромагнитных волн.
5.0босновать возможность применения методов радиополяриметрии для определения электрофизических характеристик объектов мониторинга при их дистанционном зондировании.
6. Обосновать возможность применения методов радиополяриметрии для улучшения обнаружения техногенных объектов на фоне природных сред при их мониторинге.
7.0босновать возможность применения методов радиополяриметрии для визуализации, классификации и идентификации природных средств и техногенных объектов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
[.Установлена прямая функциональная связь между электродинамическими (комплексная диэлектрическая проницаемость) и поляризационными характеристиками (элементы матрицы рассеяния) объектов мониторинга.
2.Предложен метод визуализации объектов мониторинга при помощи KLL-сферы, позволяющий реализовать их идентификацию и классификацию.
З.Разработан метод определения комплексной диэлектрической прони-
цаемости широкого класса природных объектов на основе анализа поляризационного состояния отраженных этими объектами электромагнитных волн.
5.Экспериментально определены статистические характеристики элементов матрицы рассеяния некоторых классов подстилающих покровов.
6.Разработан метод оценки геометрических характеристик техногенных объектов, находящихся на фоне природных сред, путем управления поляризационными характеристиками электромагнитных волн.
7.Разработаны математические модели неоднородных техногенных объектов, обладающих нелинейными свойствами, при рассеянии электромагнитных волн на таких объектах, дающие возможность проводить их анализ.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
1. Определять при дистанционном зондировании окружающей среды
физические характеристики подстилающих покровов (соленость, влаж-
—ность, плотностц-температуру.и.т.и.)
2. Оценивать при дистанционном зондировании окружающей среды
параметры геометрических неоднородностей.
З.Увеличивать степень различения техногенных объектов мониторинга, находящихся на поверхности природных сред.
4.0ценивать геометрические размеры объектов мониторинга. На защиту выносятся:
Методы определения физических (соленость, влажность, состав грунта и т.п.), электрофизических (диэлектрическая проницаемость и проводимость), геометрических (структура, неровность, шероховатость и т.п.) характеристик природных покровов при их дистанционном зондировании путем управления поляризационным состоянием электромагнитных волн.
Методы определения комплексной диэлектрической проницаемости при наличии полной и неполной информации о поляризационном состоянии рассеянных объектами мониторинга электромагнитных волн.
Методы визуализации, классификации и идентификации объектов мониторинга.
Методы оценки геометрических параметров поверхности объектов мониторинга при когерентном и некогерентном рассеянии электромагнитных волн.
Методы оценки геометрических параметров поверхности объектов мониторинга путем управления поляризационными характеристиками приемных антенн.
Методы определения поляризационных характеристик объектов мониторинга, обладающих нелинейными свойствами.
Внедрение результатов. Основные результаты работы нашли применение в разработках предприятий МКБ "Компас", "Интеррадио" и
ЦНИИ "Радиосвязь", ОАО "НПП "Радар-ММС"", о чем имеются соответствующие акты о внедрении.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на LVI научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2004), Международной научно-технической конференции MIKON 2006 (Microwave Week, War-sawa, Poland, May 2006), Международной научно-технической конференции EuRAD (EuMW) 2006 (European Microwave Week, European Radar, United Kingdom, Manchester, 2006), 2-й Международной конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации", (Суздаль, 2007), XX научной конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" (Москва, 2007), Международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (Москва 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), на научном семинаре Института радиоэлектроники РАН (Москва, 2008), а также на научно-технических семинарах кафедры физико-математических проблем МФТИ (Москва 2008 г.), кафедр "Авиационных радиоэлектронных систем" и "Технической эксплуатации радиотехнического оборудования и связи" МІТУ ГА (Москва 2000-2008 гг.).
По материалам диссертации опубликовано 45 работ. Из них \5 статьей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования России для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, 30 статей в иных журналах и изданиях, и в виде 4 параграфов объемом 13 стр. в монографии "Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов" (Москва, "Радиотехника", 2005), 3 параграфов объемом 37 стр. в монографии "Поляризация радиоволн. Радиолокационная поляриметрия" (Москва, "Радиотехника", 2007), 2 параграфов объемом 33 стр. в монографии "Поляризация радиоволн. Радиополяримерия сложных по структуре сигналов" (Москва, "Радиотехника", 2008).
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы (150 наименований). Общий объем диссертации 260 листов сквозной нумерации, основной текст изложен на 250 листах. Диссертация содержит 98 рисунков и 4 таблицы.
