Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности функционирования РЛС ОЛП 7
1.1.ТТХ и назначение РЛС ОЛП..., 7
1.2. Влияние мешающих отражений и метеообразований на эксплуатационные возможности РЛС ОЛП 17
1.3.Методы уменьшения влияния мешающих отражений и метеообразований на функционирование РЛС ОЛП 25
2. Влияние радиолокационных сигналов, отраженных и рассеянных естественными и искусственными покровами на функционирование РЛС ОЛП 29
2.1.Особенности рассеяния ЭМВ естественными и искусственными покровами 29
2.2. Статистические характеристики радиолокационных сигналов, отраженных от естественных и искусственных покровов 35
2.3.Статистические характеристики радиолокационных сигналов, отраженных от объектов наблюдения РЛС ОЛП 68
3. Влияние метеообразований на функционирование РЛС ОЛП 98
3.1.Особенности рассеяния и ослабления ЭМВ метеообразованиями.. 98
3.2. Поляризационные характеристики метеообразований 120
3.3.Анализ отражательных характеристик объектов наблюдения РЛС ОЛП в сложных метеоусловиях 152
4. Расширение диапазона применения РЛС ОЛП с учетом метеоусловий методами радиополяриметрии 163
4.1 .Уменьшение влияния мешающих отражений 164
4.2. Улучшение обнаружения объектов наблюдения РЛС ОЛП 167
Заключение 181
Литература 183
- Влияние мешающих отражений и метеообразований на эксплуатационные возможности РЛС ОЛП
- Статистические характеристики радиолокационных сигналов, отраженных от естественных и искусственных покровов
- Поляризационные характеристики метеообразований
- Улучшение обнаружения объектов наблюдения РЛС ОЛП
Введение к работе
Актуальность работы. Уровень технического совершенства радиотехнических систем (РТС) управления воздушным движением (УВД) и управления наземным движением (УНД), их эффективность, а значит и высокая результативность использования воздушного транспорта во многом определяется возможностями и эксплуатационными характеристиками РТС, использующихся для информационного обеспечения систем управления наземным и воздушным движением.
В настоящее время в радиотехнической системе УНД основным средством обеспечения безопасности движения наземных транспортных средств в зоне аэродрома является радиолокатор обзора летного поля (РЛС ОЛП). В условиях плохой видимости, вызванной наличием метеообразований в виде тумана, дождя, снега, эффективность работы РЛС заметно падает, уменьшается дальность действия, на экране появляется большое количество посторонних засветок от метеообразований. Это происходит вследствие рассеяния на капельках жидкости, кусочках льда, снежинках и поглощения энергии гидрометеорными частицами.
Наличие переотражений от подстилающей поверхности и метеообразований накладывают ограничения на интенсивность движения транспортных средств в районе аэродрома, а, следовательно, и на интенсивность полетов воздушных судов.
В этой связи представляет интерес поиск новых методов повышения различимости полезного сигнала на фоне мешающих отражений в сложных метеоусловиях для расширение диапазона применения РЛС ОЛП. Достаточно перспективными в этом направлении являются методы радиополяриметрии.
Эффективность применения этих методов для селекции наземных целей определяется в основном различиями в поляризационных характеристиках (ПХ) целей, местных предметов (МП), подстилающей поверхности (ПП) и
метеообразований. Однако потенциальные возможности поляризационных эффектов для улучшения обнаружения и различения радиолокационных целей не используется в РЛС ОЛП в полной мере.
Одной из основных причин этого является отсутствие достаточно достоверных априорных знаний о статистических характеристиках как объектов наблюдения, так и подстилающих покровов и метеообразований.
Обеспечение работоспособности в неблагоприятных погодных условиях, равно как и отображение устойчивой достоверной обстановки в зоне аэропорта на экране РЛС ОЛП, является одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиком и эксплуатирующими подразделениями ГА. На оснащение предприятий гражданской авиации поступают РЛС ОЛП, являющиеся источниками информации для автоматизированных систем управления воздушным движением (АС УВД), которые работают в диапазоне 0,8...1,5 см (ФАП-2000), где влияние подстилающей поверхности и гидрометеорных образований играет существенную роль. Именно поэтому, диссертационная работа, посвященная расширению диапазона применения РЛС ОЛП — улучшению обнаружения» объектов наблюдения на фоне естественных и искусственных покровов, характерных для зоны аэропорта, в сложных метеоусловиях - представляют собой актуальную задачу.
Целью работы является расширение диапазона применения РЛС ОЛП при селекции малоподвижных и неподвижных наземных объектов на фоне естественных и искусственных покровов, характерных для зоны аэропорта, а также в условиях сложной метеообстановки.
Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
Анализ влияния мешающих отражений и метеообразований на эксплуатационные возможности РЛС ОЛП.
Анализ отражательных характеристик естественных и искусственных
покровов на территории аэропортов и объектов наблюдения РЛС ОЛП и выявление различий в поляризационной структуре отраженных от подстилающих покровов и объектов наблюдения сигналов.
Анализ отражательных характеристик метеообразований, влияющих на функционирование РЛС ОЛП, и сигналов, отраженных от объектов наблюдения РЛС ОЛП в сложной метеообстановке.
Разработка рекомендаций по расширению диапазона применения РЛС ОЛП путем использования методов радиополяриметрии.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
Определены статистические характеристики элементов матрицы рассеяния естественных и искусственных покровов, характерных для зоны аэропорта, а также объектов наблюдения в миллиметровом диапазоне волн, подтвержденные экспериментальными данными.
Определены статистические характеристики элементов матрицы рассеяния метеообразований, а также объектов наблюдения в сложных метеоусловиях в миллиметровом диапазоне волн, подтвержденные экспериментальными данными.
На основе экспериментальных данных определено влияние вида поляризации на дальность действия РЛС ОЛП при их эксплуатации в сложных метеоусловиях.
Разработаны рекомендации по расширению диапазона применения РЛС ОЛП методами радиополяриметрии.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
Повысить вероятность правильного обнаружения малоподвижных и неподвижных наземных объектов при наличии мешающих отражений от подстилающей поверхности и метеообразований.
Повысить контраст наблюдаемых малоподвижных и неподвижных объектов в зоне аэропорта на индикаторе РЛС ОЛП, и тем самым обеспечить работоспособность РЛС ОЛП в неблагоприятных погодных условиях.
Повысить уровень безопасности полетов (взлет, посадка) и предупреждения столкновения на земле.
Повысить интенсивность движения транспортных средств в районе аэродрома, а, следовательно, и интенсивность полетов воздушных судов.
На защиту выносится обоснование расширения диапазона применения радиолокационных станций обзора летного поля с учетом метеоусловий методами радиополяриметрии.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в МКБ «Компас», а также в учебный процесс Московского государственного технического университета гражданской авиации, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных НТК «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007-2009 гг.) в Московском авиационном институте, на международных НТК «Гагаринские чтения» (Москва, 2008-2009 гг.) в Московском авиационном технологическом институте, на НТК "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC*2009) (Воронеж, 2009 г.) в Воронежском государственном университете, на международной НТК «Signal Processing Symposium SPS-2009» (Варшава, 2009 г.), на международных НТК "Гражданская авиация на современном этапе науки, техники и общества" (Москва, 2007г., 2009г.) и межкафедральных семинарах (2007-2010 гг.) в Московском государственном техническом университете гражданской авиации и т.д.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ (все в изданиях, определенных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций). По тематике диссертации в рамках договора по гранту выполнена НИР.
Структура, и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации составляет 194 страницы, включает 90 рисунков, 25 таблиц, список используемой литературы содержит 164 наименования.
Влияние мешающих отражений и метеообразований на эксплуатационные возможности РЛС ОЛП
На современном этапе развития РЛС ОЛП основной задачей является повышение качества радиолокационной информации. Наличие мешающих отражений от земной поверхности, местных предметов и метеообразований, которые могут иметь большую эффективную поверхность рассеяния (ЭПР), приводит к уменьшению различимости отметок воздушных судов. Засветы экранов, вызываемые отражениями от подстилающих покровов и, что особенно актуально в миллиметровом диапазоне, от гидрометеоров, приводят в некоторых случаях к полной потере координатной отметки (или перепутыванию ее с отдельными остатками метеообразований, тепловых выбросов промышленных предприятий или местных предметов, имеющими размеры аналогичные размерам координатной отметки).
В качестве примера в табл. 1.5, 1.6 и 1.8 приведены результаты натурного определения удельных ЭПР фонов [33; 63] и ЭПР целей [32], характерных для фоноцелевой обстановки в задачах контроля территории с помощью РЛС 3- мм диапазона. В табл. 1.7 приведены ослабления радиоволн в гидрометеорах в миллиметровом диапазоне волн [22].
Как видно из табл. 1.6 и 1.7, отражения, как от естественных, так и от искусственных покровов, в мм диапазоне, оказывают мешающее воздействие на процесс идентификации малоразмерных наземных целей.
Отражения от гидрометеоров и ослабление радиоволн в осадках особенно актуально в миллиметровом диапазоне. Максимальное значение ослабления в дождях имеет место на волнах 2-3 мм. Теоретические и экспериментальные исследования ослабления в туманах и облаках показывают, что на миллиметровых волнах ослабление в более мелких каплях в 5-10 раз меньше, чем в дождях [22].
Для подвижных целей (гусеничная и колесная техника) при длине волны А, 3 см ЭПР слабо зависит от длины волны; с вероятностью 0,9 в короткой части миллиметровых волн эти ЭПР имеют порядок величин, характерный для более длинных волн. Так среднее значение ЭПР на. А, = 8 мм 9 м , в, короткой части мм волн 10м2 [22].
Хорошая различимость координатных отметок самолетов на индикаторе РЛС на фоне отражений от местных предметов и подстилающей поверхности требуется для обеспечения регулярности и безопасности полетов-в условиях роста интенсивности воздушного движения:
Статистические характеристики радиолокационных сигналов, отраженных от естественных и искусственных покровов
Задача обнаружения радиолокационного объекта, в том числе и движущегося, расположенного на поверхности земли является сложной во многом из-за влияния естественных и искусственных покровов на сигнал на входе приемного устройства РЛС. В то же время, подстилающая поверхность сама по себе может являться объектом исследования, рассматриваясь в качестве радиолокационного объекта. Решению задачи обнаружения объекта на фоне естественных и искусственных покровов способствует использование методов и устройств поляризационной селекции, однако, это предполагает знание поляризационных характеристик подстилающих покровов.
Анализ поляризационных характеристик естественных и искусственных покровов различных типов в миллиметровом диапазоне волн, проведенный на основе экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых, подтверждает зависимость эффективной площади рассеяния а объекта от угла наблюдения 0, времени наблюдения, типа подстилающего покрова, частоты зондирующего сигнала и типа поляризации (ВВ — вертикальная поляризация на излучение и прием, ГГ — горизонтальная поляризация на излучение и прием, ГВ(ВГ) - вертикальная (горизонтальная) на излучение и горизонтальная (вертикальная) на прием). Определение общих закономерностей для подстилающих поверхностей в миллиметровом диапазоне волн проводился для пяти типов подстилающих покровов: гладких поверхностей, снега, льда, лесных массивов, травяных покровов и посевов сельскохозяйственных культур.
Гладкие поверхности. Особенностями гладких поверхностей, таких как бетон, асфальт, песок, является их относительно ровный характер (пространственные размеры вдоль поверхности соизмеримы с длиной облучающей волны [102]), а также неизменность состояния с течением времени. Исследование поляризационных характеристик гладких поверхностей было проведено в работе [158] для бетонных и асфальтовых покрытий в сантиметровом диапазоне волн. Результаты эксперимента представлены на рис. 2.2 и 2.3, иллюстрирующих зависимости ЭПР а от угла наблюдения 0, частоты сигнала и типа поляризации: ГГ, ВВ и ПК (правый круг вращения).
Для исследований относительно ровных типов поверхностей широко используется модель избирательного рассеяния, которую иногда1 называют двухмасштабной, в основе которой лежит предположение о возможности разделения неровностей реальной поверхности на две компоненты: мелко- и крупномасштабную [102]. Расчетные данные ЭПР бетона, асфальта и песка в зависимости от угла падения волны 9 для трех видов поляризации (ВВ, ГГ и ВГ) при А,=2,2 и i=8,6 мм в рамках двухмасштабной модели рассеяния [102] представлены нарис. 2.4, 2.5, 2.6.
1) Угловая зависимость ЭПР. ЭПР на горизонтальной и вертикальной поляризациях уменьшается с увеличением угла 9. Что касается перекрестной поляризации, то а практически не зависит от 9 в широком диапазоне углов и заметно уменьшается лишь при 9 70.
2) Зависимость ЭПР от времени наблюдения. Данные отсутствуют.
3) Влияние поляризации радиоволны на ЭПР. Значения параметра а на горизонтальной поляризации соизмеримы со значениями а на вертикальной. По сравнению с а для горизонтальной и вертикальной поляризаций, ЭПР для перекрестной поляризации имеет меньшие значения, что особенно заметно на малых углах 9.
4) Частотная зависимость ЭПР. При увеличении частоты (или уменьшении длины волны) заметно увеличение ЭПР для всех типов поляризаций.
Поляризационные характеристики метеообразований
При распространении радиоволн необходимо учитывать влияние наличия различных метеобразований на пути распространения радиолокационного сигнала. Например, при дифракция радиоволн на несферических частицах (капли дождя, града, снежинки и кристаллики льда), ориентированных под углом к плоскости поляризации волны, появляются компоненты излучения с поляризацией ортогональной к исходной, т.е. возникает кроссполяризация. Она является причиной уменьшения эффективность подавления помехи обратного рассеяния от гидрометеоров. С другой стороны, наличие этого эффекта позволяет повысить достоверность информации о фазовом состоянии гидрометеоров, их ориентации и функции распределений по размерам.
Для количественного описания явления кроссполяризации используют коэффициент кроссполяризации К. Его численное значение равно уровню мощности излучения на основной поляризацией по отношению к мощности составляющей сигнала на ортогональной поляризацией на входе приемной антенны: где W{1 и WL — мощности излучения на основной и ортогональной поляризациях. На рис.3.10, для примера, приведены, опубликованные в [147] результаты измерений коэффициента кроссполяризации на частоте 36,5 ГГц на трассе протяженностью 13,6 км в зависимости от ослабления сигнала. Передатчик излучал линейно поляризованную под углом 45 радиоволну. Можно отметить, что коэффициент кроссполяризации может достигать значений до 10 дБ.
Коэффициент кроссполяризации зависит от частоты, интенсивности дождя, распределения капель по размерам, а также от вида распределения капель по углам наклона их осей симметрии и пространственной неравномерностью дождя по трассе [41].
Зависимость коэффициента кроссполяризации от частоты, рассчитанная для трассы протяженностью L=\ км с углом возвышения є = 0 в предположении, что все капли наклонены в одном направлении под углом 0 = 5 к плоскости поляризации волны, представлена на рис. 3.11 [148]. Коэффициент кроссполяризации в рассматриваемой области слабо зависит от частоты особенно при больших интенсивностях дождя.
Влияние функции распределения капель по размерам на значение коэффициента кроссполяризации от ослабления (рис. 3.12) рассматривалось в работе [153]. Угол наклона капель принимался равным 9 = 4. Из рис. 3.12 следует, что вид распределения капель по размерам слабо влияет на связь коэффициента кроссполяризации К с ослаблением А как на вертикальной (а) так и на горизонтальной поляризациях (Ь). Рис. ЗЛЗ иллюстрирует временную зависимость коэффициента ослабления А (верхняя кривая) и коэффициента кроссполяризации К (нижняя) полученной в эксперименте по приёму излучения на частоте 30 ГГц со спутника [128]. Установлено, что "аномальная" деполяризация вызывается кристалликами льда, которые находятся выше нулевой изотермы и обладают высокой степенью пространственной ориентации благодаря атмосферному электричеству. Действительная часть комплексного показателя преломления для льда есть константа, равная 1,78. Благодаря малой мнимой части показателя преломления, кроссполяризация частицами льда полностью определяется дифференциальным фазовым смещением.
Ориентированные ледяные частицы имеют форму пластинок и иголок. На рис.3.14 представлены результаты вычислений коэффициента кроссполяризации радиоволн ледяными частицами на частоте 20 ГГц [128]. Коэффициент а на рисунке характеризует степень ориентированности иголок, при а = 1 все частицы ориентированы в одном направлении.
Снегопады, особенно в случае мокрого снега, способны вызывать кроссполяризацию того же порядка что и дожди. На рис. 3.15 приведена запись измерений ослабления А и коэффициента кроссполяризации К волны с частотой 11,6 ГГц на трассе длиной 18 км [57].
Улучшение обнаружения объектов наблюдения РЛС ОЛП
Анализ данных [70, 152, 157], показывает, что существующие различия некоторых поляризационных параметров отраженных сигналов от местности (участков суши, покрытых растительностью, взволнованного моря, гидрометеоров) и радиолокационных целей можно эффективно использовать для обнаружения целей на фоне подстилающих покровов. К таким параметрам относятся: распределение разности фаз на ортогональных поляризациях Афяякк и разности фаз линейной и кроссовой компоненты сигнала Дф , угол 2ф и в какой-то мере степень поляризационной анизотропии q.
Обнаружение целей по разности фаз Афяякк и M WHV Как показывает анализ экспериментальных исследований фазовых характеристик сигналов отраженных от подстилающих покровов в миллиметровом и сантиметровом диапазоне волн [109], распределение разности фаз Афяягг для подстилающей поверхности является Гауссовским и имеет колоколобразную форму с нулевым средним значением. С другой стороны, разность фаз линейной и кроссовой компоненты сигнала АфП7/г,, отраженного от неровной поляризационно-изотропнои поверхности, имеет равномерное распределение на интервале ±180 [152, 157], и не зависит от характеристик поверхности и условий измерения. Из экспериментальных данных [70] видно, что для радиолокационных целей средние значения разности фаз ортогонально поляризованных компонент рассеянного сигнала Дф/яш, далеки от нулевых, а значения разности фаз Афп,яг распределены неравномерно и имеют некоторое ненулевое среднее значение и небольшое среднеквадратическое отклонение. Отличия параметров Дфяягг и Афп,яг для подстилающей поверхности и радиолокационных целей позволяет производить идентификацию целей на фоне подстилающих покровов по данным признакам.
Обнаружение целей по углу 2ф. Расчеты показывают, что значение 2ф с высокой степенью точности может быть принято равным нулю (глава 2). Это означает, что в рамках такого допущения собственной поляризацией для различных элементов подстилающей поверхности будет являться линейная поляризация, хотя для каждого элемента - своя. Это значит, что если собственной поляризацией какого-либо элемента разрешения окажется эллиптическаяполяризация, то это будет свидетельствовать о наличии в этом элементе какой-либо цели, под которой вовсе не следует понимать обязательно некий новый объект, это может быть та же поверхность, но с резко выраженными иными отражательными характеристиками.
Можно предположить довольно простое устройство, реализующее возможности, связанные с рассматриваемым методом обнаружения. В качестве такого устройства можно выбрать передатчик, осуществляющий излучение линейно поляризованных волн, вид поляризации которых непрерывно меняется от горизонтальной до вертикальной и снова до горизонтальной и т.д. Прием отраженного сигнала необходимо производить на поляризации, ортогональной излучаемой.
Так как собственной поляризации для подстилающих покровов является некоторая линейная, то в процессе поляризационного сканирования обязательно наступит момент, когда отраженный сигнал будет отсутствовать.
Нетрудно получить выражение для отраженного сигнала. Исследуемая цель может быть смоделирована в виде двух взаимноортогоналъных диполей [15, 52], с эффективными диполями Хг и Х2.
В рассматриваемом режиме ортогональные компоненты электрического вектора можно представить в виде
На рис. 4.2 показана схема отражения. Как видно из рисунка, отраженный кроссовый компонент Епр будет равен
Таким образом, на приемном конце будет возникать балансно-модулированное колебание с амплитудой, пропорциональной разности собственных значений А,, иА,2 (рис.4.3а).
Если собственной поляризацией будет какая-либо эллиптическая, то вместо балансно-модулированного колебания будет амплитудно-модулированное:
В выражении (4.3) под Хх и Х2 надо понимать иные, нежели в (4.2)
величины, а индекс модуляции будет тем меньше, чем ближе собственная поляризация к круговой (рис. 4.36).
