Введение к работе
Актуальность темы. Основная задача радиолокации как области научно-технических знаний состоит в разработке и реализации дистанционных методов получения информации об удаленных объектах (целях). В качестве радиолокационных целей могут выступать как сосредоточенные (самолеты, вертолеты, космические аппараты, искусственные объекты на поверхности суши и воды), так и пространственно-распределенные объекты (облака, осадки, зоны повышенной турбулентности и ветровых аномалий, морская поверхность, растительный покров земли, ионосфера и т.д.).
Пространственно-распределенные цели представляют собой геофизические объекты (ГО) естественной среды, играющие роль "поставщика помех" в задаче локации сосредоточенных целей. Рассеиваясь на ГО, электромагнитные импульсы трансформируются, затухают, "закодированная" в них информация искажается, эхо сигналы от цели приходят на приемные антенны в сопровождении маскирующих отражений ГО. Все это значительно усложняет решение обратной задачи дистанционного зондирования - задачи распознавания образов и оценке параметров лоцируемого объекта. Аналогичную роль ГО играют в радиосвязи. Действительно, при современном уровне развития радиотехнических средств собственные пгумы приемопередающей аппаратуры могут быть уменьшены настолько, что становятся сопоставимыми с искажениями сигнала, возникающими при его распространении в естествеїгнои среде, разделяющей передающую и приемную системы, даже в случаях, когда геофизические условия не являются экстремальными. Это означает, что на первый план выходит проблема учета влияния дестабилизирующих факторов среды распространения радиоволн па надежность, помехозащищенность линий связи (ЛС) .
С другой стороны сами ГО могут выступать в роли объектов радиолокации. В этом случае рассеянное поле несет в себе полезную информацию о радиолокационной цели, и эта информация подлежит расшифровке. Такая постановка вопроса оказывается важной не только в чисто научных интересах, но и представляет интерес в таких направлениях человеческой деятельности, как авиаперевозки (обеспечение безопасности полетов воздушных судов), сельское хозяйство (возможность активного воздействия на облака и осадки) и т.д.. Так ставится задача в радиолокационной метеорологии, в становлении и развитии которой большой вклад внесли работы Д. Атласа, А.Г. Горелика, В.Д. Степаненко, А.А. Черникова и других ученых.
Методы и средства радиолокации и обработки информации, заключенной в векторно-статистической структуре эхо сигнала и собственного теплового излучения Земли, легли в основу нового научного направления -мониторинга земной поверхности, с чьим становлением и развитием связаны фамилии таких ученых как В.В. Богородский, А.И. Козлов, Б.Г. Кутуза,
4.
Л.И.Логвин и др.
Решение радиолокационной задачи в отношении ГО оказывается важной и для решения некоторых проблем радиосвязи. Действительно, на этапе проектирования требуемый уровень надежности ЛС устанавливается в соответствии с особенностями ее функционального назначения еще до определения ограничений, накладываемых эффектами распространения радиоволн. Эти ограничения повышают уровень требований, предъявляемых к системам приема и передачи, они рассчитываются с учетом максимальных (ожидаемых с вероятностью не ниже установленного уровня) значений потерь в открытом канале распространения радиоволн (ОКРР). Между тем параметры реальной среды претерпевают значительные изменения как в пространстве, так и во времени. Это приводит к тому, что большую часть времени ЛС работает в режиме с избыточной надежностью, что не является оптимальным, например, для космической линии связи, т.к. это увеличивает вес аппаратуры, расположенной на спутнике, и сопровождается повышенным расходом энергии при работе ЛС. Вместе с тем, в определенные короткие моменты времени, соответствующие экстремальным состояниям ОКРР, надежность ЛС может опускаться ниже допустимого уровня. Компенсация таких нежелательных эффектов может быть достигнута, например, за счет временного повышения мощности передатчика, снижения уровней шумов приемника, сужения его полосы пропускания или отказа от использования поляризационного разделения каналов. Фактически это предполагает создание адаптивной ЛС, а для ее реализации необходимо располагать достоверной оперативной информацией о состоянии ОКРР, что, в свою очередь, можно получить методом радиолокационного зондирования.
Необходимость учета реального состояния ОКРР была осознана уже достаточно давно. Эта проблема в различных аспектах ставится в работах Р. Кеннеди, И.Н. Амиантова, ГА. Андреева, Л.Д. Бахраха, АН. Казанцева, Д.Д. Кловского, Д.С. Лукина, ВВ. Мигулина, Л.М. Финка и других ученых, однако ее сложность и многогранность обуславливают то, что решение еще далеко от своего полного завершения.
Наиболее часто решение этой проблемы связывают с методом математического моделирования (МММ) возмущений волнового поля в ОКРР. Такой подход позволяет относительно просто задавать статистику поля на входе приемной системы, однако при всей своей привлекательности МММ имеет один серьезный недостаток - он не содержит описания реального взаимодействия поля с элементами ОКРР. Параметры, фигурирующие в его уравнениях, носят феноменологический характер и могут быть определены только на основе статистики натурных испытаний. Выявление же связи параметров, описывающих статистику эхо сигналов при дистанционном зондировании ОКРР, с параметрами распределений, описывающих статистику поля сигнала, на входе приемной системы, (необходимый элемент при соз-
даний адаптивной ЛС) вообще не представляется возможным.
Более последовательный подход базируется на описании трансформаций поля в ОКРР, основанном на расчетах взаимодействия электромагнитных волн с геофизическими элементами ОКРР. Процесс моделирования такого взаимодействия начинается с построения физических моделей среды распространения. При этом флуктуации электромагнитного поля становятся производными от возмущений материальной среды, что и определяет основное отличие метода физического моделирования (МФМ) от МММ. МФМ можно рассматривать как следующий, более глубокий уровень понимания и описания процессов зашумления сигналов в ОКРР.
Необходимость использования физического моделирования при описании ОКРР признается многими исследователями, однако развитие такого подхода сдерживается значительной сложностью возникающих задач.
Серьезные проблемы на пути развития МФМ появляются при реализации адекватного описания взаимодействия электромагнитного поля с геофизическими элементами ОКРР. Дело в том, что в ряде случаев при расчете рассеянного поля в ОКРР не удается ограничиться учетом однократного рассеяния (борцовским приближением), приходится обращаться к теории многократного рассеяния. Возникающие при этом проблемы носят фундаментальный характер, т.к. саму теорию многократного рассеяния, заложенную и развиваемую в работах Л.Фолди, М. Лэкса, В.Тверски, А. Исимару, В.И. Татарского, В.И. Кляцкина, Ю.Н. Барабанснкова, Ю.А. Кравцова и других ученых, в настоящее время нельзя считать завершенной, и каждый новый шаг в ее развитии требует значительных усилий и привлечение серьезного математического аппарата.
Вместе с тем, современный уровень постановки обратных задач радиолокационного зондирования требует все более полного учета эффектов многократного-рассеяния, поскольку пренебрежение ими при решении прямой задачи радиолокации приводит к возможности неадекватного толкования получаемой из эксперимента информации.
Названное определяет актуальность диссертационной работы, посвященной важной научно-технической проблеме, состоящей в разработке теории и методов радиолокационного определения параметров геофизических объектов для мониторинга окружающей среды и получении информации о ее состоянии, необходимой для обеспечения эффективности и безопасности жизнедеятельности человека в различных областях, начиная с сельского хозяйства и заканчивая авиацией и космонавтикой.
Цель данной работы заключается развитии и разработке новых методов радиолокационной диагностики состояния ОКРР для применения результатов в различных сферах человеческой деятельности, где используется мониторинг среды и актуальна информация об экстремальных геофизических явлениях.
б.
Достижение поставленной цели обеспечивается реализацией метода физического моделирования ОКРР, основанного на расчете взаимодействия электромагнитного поля с геофизическими элементами, обуславливающими иеидеальность ОКРР, предполагающего привлечение адекватного задаче математического аппарата, и решением следующих основных задач.
1: Разработка способов и алгоритмов распознавания и оценивания параметров геофизических элементов в ОКРР.
-
Расчет полей на входе приемной радиотехнической системы, про-взаимодействовавших с наиболее типичными структурными элементами ОКРР: мстеообразованиями, шероховатой поверхностью и поверхностью, покрытой растительностью.
-
Учет влияния поляризационных характеристик приемо-передаю-щих антенных систем на результаты поляризационных измерений в задачах дистанционного зондирования пространственно- распределенных целей.
-
Построение физической модели ОКРР, допускающей блочное конструирование с помощью моделей структурных геофизических элементов, обуславливающих появление шумов и помех в ЛС, либо представляющих интерес в других задачах обеспечения жизнедеятельности человека.
-
Разработка и развитие математических методов описания взаимодействия электромагнитного излучения с геофизическими элементами ОКРР с учетом эффектов многократного рассеяния, векторного характера и частичной пространственной когерентности волнового поля.
Математический аппарат и методы исследования В работе использованы результаты и методы теории функций комплексной переменной, дифференциальных и интегральных уравнений, вариационного и тензорного исчислений, теории вероятности и математической статистики, теории случайных процессов и полей и численное моделирование.
Научная новизна работы заключается в том, что возникновение шумов и помех в ОКРР описано в рамках единого подхода как трансформация углового спектра волнового поля сигнала от момента его зарождения при излучении передающей антенны до сворачивания с весом диаграммы направленности приемной антенной. В результате развития этого подхода впервые:
-
Предложен способ определения параметров пространственного распределения отражателей в объемной цели, использующий пространственную поперечную корреляционную функцию поля эхосигнала.
-
Дано теоретическое описание механизма возникновения двухмас-штабности сцинтилляций (мерцаний) при прохождении сигналом полосы осадков.
-
Предложен метод поляризационных измерений параметров травяных покровов, основанный на расчете дисперсионного уравнения для векторно-
7.
го поля в пространственно ориентированной растительности с учетом эффектов многократного рассеяния.
-
Сформулировано ограничение для максимально достижимой точности поляризационных измерений, связанное с нарушением ортогональности комплексных векторных амплитуд углового спектра поля в раскрыве антенны в режимах работы с "ортогональной" поляризацией и предложена методика расчета поляризационной развязки при зондировании протяженных целей.
-
Развит поляризационный метод определения молниеопасных зон, основанный на проявлении анизотропных свойств среды в областях с сильным электрическим полем.
-
Предложена физическая многомодовая модель ОКРР, описываемая системой стохастических дифференциальных уравнений первого порядка для взаимодействующих компонент углового спектра волнового поля. Коэффициенты уравнений описывают межмодовое взаимодействие электромагнитного поля, возникающее в среде.
-
Расширены и предложены новые подходы для описания рассеяния электромагнитного поля случайно-неоднородной средой геофизических объектов:
метод расслоения,
метод самосогласованной перенормировки, предполагающий специальную процедуру свертки полученной автором цепочки уравнений для вариаций поля,
метод инвариантного погружения расширен на класс задач поверхностного рассеяния.
Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена тем, что результаты получены на базе фундаментальных теорий с использованием физических моделей, адекватно отражающих реальные изучаемые объекты и процессы. Найденные аналитические соотношения и закономерности удовлетворяют принципу преемственности при выполнении соответствующих предельных переходов и подтверждаются известными данными экспериментов.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:
-
Распознавать и оценивать параметры метеорологических объектов, явлений (градовые облака, очаги ливневых осадков, молниеопасные зоны) трансформирующих сигналы на трассе распространения и представляющие опасность или интерес в различных областях человеческой деятельности (воздушный транспорт, сельское хозяйство и т.д.).
-
Прогнозировать помехоустойчивость и надежность работы конкретных ЛС с учетом реального влияния различных геофизических элементов
8.
(ЖРР на трансформацию сигнала., используя как статистические базы данных метеорологических наблюдений, так и информацию, полученную при дистанционном зондировании предполагаемой трассы распространения сигнала.
-
Оценивать параметры некоторых видов с/х культур, обладающих ярко выраженной ориентационной анизотропией.
-
Разрабатывать новые эффективные методы укрытия наземных объектов от средств космической разведки.
Новые результаты и положения, выносимые на защиту
-
Статистический метод восстановления профиля радиолокационной отражаемости метеообъекта внутри импульсного радиолокационного объема, основанный на анализе поперечной пространственной когерентности ноля эхосигнала.
-
Поляризационный метод оценивания параметров травяных покровов на основе дисперсионного уравнения для среднего поля в модели слоя растительности.
-
Метод расчета комплексного коэффициента отражения и среднего поля внутри переходного слоя двухмасштабной поверхности, корректно учитывающий эффекты затенения и многократного рассеяния электромагнитных волн.
-
Механизм и теория возникновения двухмасштабных сцинтиляций при распространении сигнала в полосе осадков.
-
Расчет помехоустойчивости приема сигнала при наличии осадков на трассе распространения радиоволн.
-
Физическая модель ОКРР, допускающая блочное конструирование с использованием радиолокационных и радиофизических моделей структурных геофизических элементов, обуславливающих появление шумов и помех в ЛС, либо представляющих интерес в друтих задачах обеспечения жизнедеятельности человека.
-
Методы описания взаимодействия электромагнитного поля со случайно-неоднородной средой геофизических элементов, позволяющие вычислять коэффициенты в уравнениях физической модели ОКРР :
метод расслоения [9] (предложен независимо проф. Ч.Рино (США 1988) и известен в литературе как Spectral domain method или Rino approach),
метод самосогласованной перенормировки, предполагающий специаль ную процедуру свертки полученной автором цепочки уравнений для вариациі поля,
метод инвариантного погружения в применении к задачам поверхностного рассеяния.
Публикации и апробация работы По теме диссертации опубликовано 47 работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах симпозиумов и конференций. Основные поло-
9 жеиия и результаты работы были представлены на 6 международных и 9 всесоюзных и республиканских конференциях (см. список научных публикаций), а также обсуждались на научных семинарах Института экспериментальной метеорологии (г. Обнинск), кафедр физического факультета и факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ, Института общей физики РАН.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 269 стр. машинописного текста ( 232 стр. текста. 14 стр. рисунков, 18 стр. списка литературы и 5 стр. приложений) и состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 186 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 47 работ автора. В приложения вынесены материалы о внедрении результатов диссертационной работы.
