Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время интенсивно развиваются технологии мониторинга, которые позволяют извлекать и использовать некоординатную информацию об объектах, расположенных в техногенно-опасных и труднодоступных районах. Некоординатная информация представляет собой сведения о типе и свойствах исследуемого объекта, его конфигурации и линейных размерах.
Развитие указанных технологий не в последнюю очередь объясняется негативным влиянием человеческой деятельности на экологическую обстановку, возможными техногенными авариями и катастрофами и необходимостью проведения различных геофизических и гидрофизических исследований.
Основным методом решения задач мониторинга является дистанционное зондирование, среди которого особое место занимают радиолокационные методы, опирающиеся на пространственно-временную обработку сигналов и в частности на методы радиополяриметрии. Здесь следует отметить основополагающие работы советских и российских ученых Акинь-шина Н.С, Богородского В.В., Горелика А.Г., Канарейкина Д.Б., Козлова А.И., Кутузы Б.Г. Логвина А.И., Лукина Д.С, Мелитицкого В.А., Островитянова Р.В., Потехина В.А., Сарычева В.А., Татаринова В.Н., Шупяцкого А.Б., и др., а также зарубежных ученых Boerner W-M., Huynen J.R., Ligthart L.P. и др.
Радиолокационные системы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, позволяют решать большой круг различных задач: от управления воздушным движением до различных целей народного хозяйства.
Использование радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов в значительной степени ограничивается возможностями этого оборудования. С другой стороны, потенциальные возможности этих систем превышают круг задач, для решения которого они предназначены. Таким образом, существует возможность использовать радиолокационные системы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, для решения новых задач, таких как мониторинг различных объектов, в том числе и тех, которые расположены в пределах техногенно-опасных и труднодоступных районов. Для этой цели необходимо провести модернизацию оборудования, а также использовать более совершенные алгоритмы анализа отраженных радиолокационных сигналов.
Радиотехнические методы мониторинга объектов, использующиеся в радиолокационных системах, эксплуатируемых на воздушном транспорте, в большей мере основаны на анализе энергетических характеристик элек-
тромагнитной волны, отраженной от анализируемых объектов. Такие методы в большей степени исчерпали свои возможности. По этой причине использование информации, заложенной в пространственно-временной структуре, в частности в поляризационных свойствах отраженной электромагнитной волны, дает дополнительные возможности для улучшения процедуры извлечения информации и позволяет повысить эффективность мониторинга.
Как показывают теоретические разработки и подтверждают экспериментальные исследования, использование анализа пространственно-временной структуры, в частности поляризационных свойств отраженной электромагнитной волны открывает новые возможности для определения различных характеристик объектов мониторинга, получение которых при помощи известных методов крайне затруднено. В этой связи, диссертационная работа, содержащая решение научной задачи, имеющей важное значение для воздушного транспорта, состоящей в расширении функциональных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, при их использовании для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов, является актуальной.
Цели и задачи исследования. Целью работы является теоретическое и экспериментальное доказательство возможности применения радиолокационных систем, эксплуатируемых в гражданской авиации, для мониторинга и определения характеристик техногенно-опасных и труднодоступных районов и расположенных в них объектов наблюдения и разработка соответствующих методов реализации этой возможности.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ традиционных методов мониторинга природных сред и техногенных объектов радиолокационными системами.
-
Оценить возможность и целесообразность расширения функциональных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, при использовании их для мониторинга природных сред и техногенных объектов.
-
Оценить возможности радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для определения геофизических и геометрических характеристик объектов наблюдения по результатам мониторинга.
-
Обосновать расширение возможностей модернизируемых радиолокационных систем воздушного транспорта путем применения пространственно-временной обработки принимаемых радиолокационных сигналов для определения характеристик объектов наблюдения на фоне природных сред по результатам мониторинга.
-
Оценить потенциальные возможности применения радиолокаци-
онных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
предложен метод визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов;
разработан метод определения геофизических и геометрических характеристик широкого класса объектов наблюдения на основе пространственно-временной обработки сигналов, получаемых при мониторинге радиолокационными системами, эксплуатируемыми в гражданской авиации;
экспериментально определены статистические характеристики сигналов, отраженных от широкого класса объектов мониторинга, находящихся в техногенно-опасных и труднодоступных районах;
предложен метод улучшения тактико-технических характеристик радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов.
разработаны математические модели, адекватные объектам наблюдения, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты:
позволяют использовать радиолокационные системы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, для определения геофизических и геометрических характеристик широкого класса объектов наблюдения при их мониторинге;
позволяют использовать радиолокационные системы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, для оценки геометрических неодно-родностей объектов наблюдения, расположенных в техногенно-опасных и труднодоступных районах;
позволяют увеличивать степень различения техногенных объектов, находящихся на поверхности природных сред, при их мониторинге радиолокационными системами, эксплуатируемыми на воздушном транспорте;
позволяют улучшить тактико-технические характеристики радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте.
На защиту выносятся:
-
Методы определения геофизических и геометрических характеристик широкого класса объектов наблюдения при их мониторинге с помощью радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, путем пространственно-временной обработки радиолокационных сигналов.
-
Методы определения геофизических характеристик объектов мониторинга при наличии полной и неполной информации о характеристиках
отраженных радиолокационных сигналов.
-
Метод визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов радиолокационными системами, находящимися на эксплуатации в гражданской авиации.
-
Методы различения техногенных объектов, находящихся на фоне природных сред, при их мониторинге радиолокационными системами, эксплуатируемыми на воздушном транспорте, путем пространственно-временной обработки радиолокационных сигналов.
-
Методы оценки некоординатной информации о техногенных объектах мониторинга путем расширения функциональных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте.
Внедрение результатов. Основные результаты работы нашли применение в разработках предприятий МКБ "Компас", "Интеррадио" и ЦНИИ "Радиосвязь", ОАО "НЛП "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), на научном семинаре Института радиоэлектроники РАН (Москва, 2009), а также на научно-технических семинарах кафедры физико-математических проблем МФТИ (Москва 2008), кафедр "Авиационных радиоэлектронных систем" и "Технической эксплуатации радиотехнического оборудования и связи" МГТУ ГА (Москва 2000-2008).
По материалам диссертации опубликовано 45 работ. Из них 15 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", т.1 (Москва, "Радиотехника", 2005), 3 параграфов объемом 37 стр. в монографии "Поляризация радиоволн. Радиолокационная поляриметрия", т.2 (Москва, "Радиотехника", 2007), 2 параграфов объемом 33 стр. в монографии "Поляризация радиоволн. Радиополяримерия сложных по структу-
ре сигналов", т.З (Москва, "Радиотехника", 2008).
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы (150 наименований). Общий объем диссертации 260 листов сквозной нумерации. Диссертация содержит 98 рисунков и 4 таблицы.
