Содержание к диссертации
Введение
1 Перспективы развития методологии обеспечения защиты информации об объектах наблюдения и задачи исследования 20
1.1. Задачи и направления развития методологии обеспечения защиты информации об объектах наблюдения 20
1.2 Общая характеристика канала технической утечки информации об объектах дистанционного наблюдения 23
1.3 Общая характеристика процесса дистанционного наблюдения. Факторы влияния 27
1.4 Критерии и показатели оценки защищенности информации об объектах наблюдения 33
1.5 Влияние на развитие методологии обеспечения защиты информации об объектах современных информационных технологий дистанционного наблюдения 37
2 Исследование и построение моделей каналов технической утечки ин формации об объектах при применении высокоинформативных систем радиолокационного наблюдения 42
2.1 Модели сигналов в высокоинформативных системах радиолокационного наблюдения типа САОРИ 42
2.2 Функциональные свойства высокоинформативных систем типа САОРИ 49
2.3 Влияние характеристик антенн на возможность апостериорного управления структурой полей в высокоинформативных системах типа САОРИ 56
2.4 Свойства сигнальных функций высокоинформативных систем типа САОРИ 65
3 Модели и методы оценки защищенности информации и информацион ной безопасности объектов при их радиолокационном наблюдении 78
3.1 Оценка информационных возможностей систем типа САОРИ по измерению параметров электродинамической связи объектов 78
3.2 Оценка влияния характеристик антенн на информационные возможности систем типа САОРИ по измерению параметров электродинамической связи объектов 90
3.3 Оценка информационных возможностей систем типа САОРИ с кольцевыми антеннами 102
3.4 Оценка информационных возможностей систем типа САОРИ с крестообразными антеннами 111
4 Модели и методы оценки защищенности информации и информацион ной безопасности объектов радиолокационного наблюдения, находя щихся за непрозрачными преградами и в среде с потерями 126
4.1 Оценка параметров информационных систем, функционирующих в средах с потерями 127
4.2 Влияние аподизации антенн на информационные возможности систем наблюдения, функционирующих в средах с потерями 132
4.3 Оценка предельной точности измерения местонахождения заглубленного точечного объекта в однородной среде с потерями 140
4.4 Предельная точность измерения параметров среды и глубины расположения точечного объекта системами типа САОРИ 150
4.5 Влияние характеристик антенн систем типа САОРИ на предельные точности измерения скорости распространения волн в среде и глубины положения точечного объекта 159
5 Совершенствование измерительной базы в обеспечение повышения эффективности методов и средств технической защиты информации об объектах радиолокационного наблюдения 175
5:1 Общая характеристика задачи экспериментального исследования радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов 175
5.2 Разработка математических моделей радиолокационных характеристик пространственно-протяженных объектов 177
5.3 Оценка предельных возможностей измерения радиолокационных характеристик объектов 188
5.4 Применение методов апостериорной обработки результатов измерений для повышения информативности средств измерения характеристик рассеяния объектов 202
6 Методы, модели, критерии и показатели обеспечения защиты инфор мации об объектах наблюдения при применении дальнепорогового окрашивания 216
6.1 Задача исследования и качественный анализ дальнепорогового эффекта обнаружения объектов (в пространстве координат) 217
6.2 Основные расчеты соотношения для анализа дальнепорогового эффекта обнаружения 222
6.3 Дальнепороговый эффект обнаружения пространственно - тек-стурированного объекта на равномерном фоне 226
6.4 Пример объекта с дальнепороговым эффектом обнаружения 234
6.5 Информационные критерии и показатели качества дальнепорогового окрашивания 239
6.6 Технические критерии и показатели качества дальнепорогового окрашивания 251
7 Принципы обеспечения защиты информации об объектах дистанцион ного наблюдения при применении дальнепорогового окрашивания 270
7.1 Принцип гармонической контрастно-пространственной модуляции текстуры объектов 270
7.2 Принцип импульсной контрастно-пространственной модуляции текстуры объектов 280
7.3 Принцип формирования рисунка дальнепорогового окрашивания, основанный на повороте пространственного спектра контрастно — текстурированного объекта 293
7.4. Принципы и общие положения формирования объектов с даль-непороговым эффектом обнаружения на равномерном и текстурированном фонах 300
Заключение 317
Список использованной литературы 320
Приложение 330
- Общая характеристика канала технической утечки информации об объектах дистанционного наблюдения
- Функциональные свойства высокоинформативных систем типа САОРИ
- Оценка влияния характеристик антенн на информационные возможности систем типа САОРИ по измерению параметров электродинамической связи объектов
- Влияние аподизации антенн на информационные возможности систем наблюдения, функционирующих в средах с потерями
Введение к работе
Современный этап развития общества характеризуется резким усилением роли и значения информационной безопасности РФ как одной из составляющих национальной безопасности РФ оказывающей влияние на. защищенность национальных, интересов РФ в различных сферах жизнедеятельности общества и государства. В; последние годы с принятием Доктрины информационной безопасности РФ и ряда законов: "О безопасности", "О государственной тайне", "Об информации, информационных технологиях и о защите информации", "О коммерческой тайне" и др: идет интенсивный процесс обеспечения информационной безопасности в различных областях жизни и деятельности человека.
Роль научно-технического аспекта в обеспечении информационной; безопасности следует из концептуальных положений, изложенных в І Доктрине, и исключительного места дистанционных методов, и средств получения информации об объектах наблюдения. Это обусловлено тем, что среди, всех именно дистанционные методы получения-информации об объектах являются" наиболее информативными. Ярким примером тому является;зрение, доставляющее человеку более 90% информации об окружающем мире.
Вторая половина XX века характеризуется бурным развитием технических средств и методов получения, хранения, передачи, обработки и анализа информации об объектах. Созданы многократно усиливающие возможности зрения практически по всем направлениям (по рабочему диапазону длин волн, по контрастной и спектральной чувствительности, детальному запоминанию изображений, восприятию изображений быстропротекающих процессов и т.д.) системы наблюдения (СН) объектов вультрафиолетовом, видимом, инфракрасном: и радио - диапазонах длин волн. Постоянно растущие в; этот период возможности, вычислительной техники способствовали разработке и; внедрению достаточно сложных и эффективных алгоритмов обработки добываемой информации.
Качественный рост информационных возможностей СН в конце прошлого века в число актуальных выдвинул задачи оценки угроз конфиденциальности информации об объектах и разработки путей и методов их устранения. В настоящее время благодаря основополагающим работам отечественных ученых в целом разработана методология обеспечения защиты информации об объектах различных типов и назначения техническими, организационными и правовыми методами и средствами. Применительно к объектам наблюдения она представляет собой логически увязанную иерархическую систему методов решения задач исследования и построения моделей каналов технической утечки информации, оценки защищенности информации, обеспечения разработки организационных мероприятий и технических средств защиты информации, оценки эффективности обеспечения защиты информации и др.
Однако, в условиях постоянного повышения информационных возможностей СН и растущих потребностей наращивания арсенала средств и методов защиты информации методология обеспечения защиты информации об объектах принципиально не может быть завершенной в статическом виде, а должна непрерывно развиваться, предвосхищая направления и пути развития систем и методов дистанционного наблюдения, создавая надежную теоретическую базу эффективного использования существующих и разработки новых методов и средств защиты информации.
Одним из важных направлений повышения информативности СН в настоящее время является применение в радио- и оптическом диапазонах длин волн так называемых информационных технологий дистанционного наблюдения, представляющих собой совокупность методов, приемов и алгоритмов получения и обработки результатов дистанционного наблюдения. Однако особенности их реализации и достигаемые результаты в радио- и оптическом диапазонах длин волн оказываются совершенно различными, что определяющим образом оказывает влияние на содержание задач, решаемых в диссертации.
Так, анализ успехов повышения информативности систем радиолокационного наблюдения показывает, что наиболее существенные из них достигнуты за счет многомерного (многоканального, многочастотного и многократного) зондирования объектов наблюдения и совместной апостериорной обработки результатов измерений. Например, использование многоканального пространственного приема позволило реализовать весьма эффективные методы и алго-ритмы пространственной селекции сигналов на фоне помех внешних источников в PJIG с фазированными антенными решетками. Во всех развитых странах мира широким фронтом ведутся работы по созданию и внедрению многопозиционных радиолокационных систем, потенциальные информационные возможности которых по точности измерений;, разрешающей способности, качеству распознавания целей, помехозащищенности и ряду других характеристик существенно превосходят возможности однопозиционных РЛС. К этому направлению относятся также широко известные, ставшие уже традиционными, методы прямого и обратного синтезирования апертуры антенн за. счет относительного движения носителя РЛС и объекта наблюдения и: интенсивно разрабатываемые в последнее время методы получения радиоизображений объектов, находящихся в средах с потерями, с использованием дискретно-частотных широкополосныхи сверхширокополосных:сигналов.
Состояние в области развития теории синтеза и анализа информационных возможностей систем радиолокационного наблюдения определяется фундаментальными работами отечественных и зарубежных ученых, к числу которых относятся: В.Я; Аверьянов, Л.Е. Астанин, П.А. Бакут, Л.Д; Бахрах, Н1И. Буренин, Г. Ван Трис, Н.Е. Варганов, Е.Н. Воронин, А.Ю; Гринев, В.А. Зверев, В;В; Караваев, Д. Катрона, Y. Кок, Г.С. Кондратенков, А.А. Коростылев, В.Ф. Кравченко, И.Я. Кремер; Е.И. Куликов, .А.А. Курикша, А.П. Курочкин, А.П. Лукош-кин, В ;И. Мандросов, В.А. Неганов, В.Г. Радзиевский, ВТ. Репин, А.П. Реутов, В.В; Сазонов, Г.П. Тартаковский,- В:И. Тихонов, А.П.. Трифонов, И.Н.Троицкий, СЕ. Фалькович, B.C. Черняк, Я.Д. Ширман и др.
Полученные этими учеными результаты позволяют решать,широкий круг задач оценки защищенности информации об объектах наблюдения различных типов и назначения. Однако в известных автору работах теоретические исследования потенциальных информационных возможностей систем радиолокаци онного наблюдения выполнены без учета возможности совместной апостериорной обработки принятых и излученных сигналов, что приводит к недооценке угроз технической утечки информации в условиях применения современных информационных технологий и вызывает необходимость дальнейшего совершенствования методов решения задач защиты информации об объектах наблюдения.
Как и по другим направлениям развития методологии обеспечения информационной безопасности объектов это достигается путем исследования и построения более совершенных моделей канала технической утечки информации, соответствующих современным условиям, и разработки на их основе моделей и методов обеспечения защиты информации. При этом для создания надежной теоретической базы эффективного использования существующих и разработки новых методов и средств защиты информации к моделям канала, наряду с традиционными требованиями такими, как достоверность, простота, наглядность, конструктивность и т.д., могут быть предъявлены дополнительные, к которым относятся следующие.
Во-первых, поскольку средства и методы технической защиты информации по сути усиливают те или иные мешающие эффекты, то для обеспечения разработки и их создания модели должны учитывать влияние всех доминирующих факторов, оказывающих воздействие на процесс добывания информации, т.е. принципы построения- СН, алгоритмы получения и обработки результатов измерений, технические характеристики приемной и передающей антенн, свойства и характеристики среды-распространения сигналов (в том числе поглощающей), наличие всегда присутствующих на практике шумов и т.д.
Во-вторых, модели радиолокационного канала должны включать в себя содержательные модели объекта наблюдения, раскрывающие повышенные информационные возможности перспективных СН:
Исходя из опыта ранее выполненных работ, для обеспечения разработки и создания эффективных технических средств и методов защиты информации об объектах радиолокационного наблюдения определяющее значение имеет также развитие измерительно-испытательной базы. Поскольку в существующей измерительно-испытательной базе не учитываются возможности качественного роста информационных возможностей СН за счет применения современных информационных технологий дистанционного наблюдения, в настоящее время весьма актуальной задачей является разработка технических путей ее совершенствования.
Совершенно иная ситуация сложилась в области обеспечения информационной безопасности объектов наблюдения в оптическом диапазоне длин волн. Здесь применение развивающих информационных технологий дистанционного наблюдения приводит к вполне предсказуемому повышению информационных возможностей СН, и разработанные в конце прошлого века методы их оценки в целом удовлетворяют потребностям практики. Основная проблема обеспечения защиты информации об-объектах наблюдения в оптическом диапазоне длин волн состоит в низкой эффективности существующих средств технической защиты информации. В интересах ее решения разработаны перспективные направления и технические пути обеспечения защиты информации об объектах наблюдения, основанные на применении управляемых и адаптивных "хамелеоноподобных" оптических покрытий. Однако их практическая реализация ожидается в отдаленном будущем. В этих условиях весьма актуальной является задача разработки средств защиты информации, основанных на применении существующих покрытий с постоянными оптическими свойствами.
Применение оптических покрытий приводит к нарушению естественного пространственного распределения контраста по поверхности объекта, что затрудняет выделение информативных признаков обнаружения, распознавания, оценки состояния объекта и т.д. Задачи обеспечения защиты информации об объектах наблюдения при этом являются обратными и сводятся к отысканию оптимального пространственного распределения контраста по поверхности объекта в соответствии с выбранными критериями и показателями. Поскольку все методы решения обратных задач основаны на построении моделей процессов, соответствующих прямой задаче, а в простейшем случае к выбору наибо лее предпочтительного варианта из предварительно составленных, то модели и методы оценки защищенности информации об объектах наблюдения могут быть использованы для решения задач эффективного применения технических средств защиты информации.
Одной из таких является задача обоснования путей эффективного применения объектов, обладающих дальнепороговым эффектом обнаружения, обеспечивающая разработку предпочтительной альтернативы существующим мерам, основанным на уменьшении размеров опознавательных знаков и "приглушения" яркости трафаретных надписей.
Таким образом, существующий уровень развития методологии оценки защищенности информации об объектах не отвечает возросшим возможностям СН в условиях применения современных информационных технологий дистанционного наблюдения, что приводит к недооценке реальной угрозы утечки информации по каналу радиолокационного наблюдения и сдерживает процесс наращивания арсенала средств защиты информации об объектах наблюдения - в оптическом.
Изложенное выше определяет актуальность крупной научной проблемы создания моделей и методов оценки защищенности информации об объектах в условиях применения современных информационных технологий и систем дистанционного наблюдения, имеющей важное значение для обеспечения информационной безопасности РФ.
Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, обработки и защиты информации».
Общая характеристика канала технической утечки информации об объектах дистанционного наблюдения
Под методом дистанционного наблюдения (ДН) понимается совокупность операций и технических приемов, обеспечивающих получение информации об объектах наблюдения. Существует большое количество методов дистанционного наблюдения, отличающихся составом и содержанием операций и технических приемов. С методической точки зрения наиболее существенными являются активные и пассивные методы, основанные на искусственном или естественном освещении объектов наблюдения.
Таким образом, физической основой реализации различных методов ДН является отражение, рассеяние (поглощение) объектами наблюдения излучения внешних источников и их собственное тепловое излучение с индивидуально-проявляющимися закономерностями в зависимости от формы, размеров, материала, свойств внешней поверхности объектов и т. п., а также возможность улавливания на расстоянии излучаемых и переотражаемых объектами сигналов с использованием технических средств или визуально.
Процесс извлечения информации из волновых полей различной физической природы подчиняется общим закономерностям, описываемым теориями оптимального приема и пространственно-временной обработки сигналов. Это позволяет проводить исследования различных методов ДН на единой методической основе и получать сопоставимые оценки информационных возможностей СН и информационной безопасности объектов наблюдения по полям различной физической природы.
Возможность получения изображений объектов в радио- диапазоне связана с применением, ставших уже традиционными, методов прямого и обратного синтезирования апертуры антенн, обеспечивающих получение изображений удаленных объектов. Это обусловлено существенными методическими особенностями получения изображений объектов наблюдения в радио- диапазоне, связанными с существенно большими длинами радиоволн.
В зависимости от областей практического применения объекты дистанционного наблюдения с использованием СН с получением и обработкой изображений весьма разнообразны. В военной области основными объектами наблюдения являются военные объекты, вооружение и военная техника. В областях народного хозяйства объектами наблюдения являются сам человек его жилище и другие создаваемые человеком объекты.
Информативные признаки объектов наблюдения (отличающих их от объектов фона), признаки состояния, режима функционирования и т.д. проявляются в параметрах отраженных, рассеянных, излучаемых объектами полей, на извлечение информации о которых ориентированы различные методы дистанционного наблюдения.
К числу основных методических особенностей объектов наблюдения, вытекающие из возможностей СН с получением и обработкой изображений, относятся следующие.
Во-первых, характерные размеры объектов наблюдения LoG в общем случае должны всегда быть значительно больше длины волны излучения A,(LoG » А,) и существенно превосходить размеры разрешаемого элемента СН
Al(Lo6 » Al). Первое условие является принципиальным, второе - зависит от дальности наблюдения. При выполнении второго условия (LO6 » Al) объекты относятся к пространственно-протяженным, при наблюдении которых появляется возможность получения их изображений. Эти условия также в полной мере относятся к объектам фона и неоднородностям среды, в случае их наличия.
Во-вторых, пространственно-протяженные объекты (ШЛО) наблюдения всегда полностью или частично (в зависимости от свойств объекта) затеняют расположенные за объектом наблюдения объекты фона. Наличие эффекта затенения объектом фона изменяет содержание понятия слабого сигнала, поскольку слабо излучающий ППО или слабо отражающий НПО хорошо обнаруживаются на ярком фоне по отрицательному контрасту.
Во многих случаях средой распространения сигналов является земная атмосфера, находящаяся в различных состояниях и оказывающая существенное влияние на распространение электромагнитного излучения, особенно оптического диапазона длин волн. Длина волны оптического излучения соизмерима с размерами молекул и рассеянных в атмосфере аэрозолей. Это приводит к весьма существенным эффектам рассеяния и поглощения, которые эффективно используются в случаях, когда атмосфера является объектом наблюдения, и оказывают помеховое воздействие в других случаях.
Таким образом, действие среды распространения сигналов в большинстве случаев приводит к снижению информативности СН, хотя могут быть приведены примеры противоположного действия . При разработке моделей процесса дистанционного наблюдения с получением и обработкой изображений необходимо учитывать поглощение и рассеивание излучения, распространяющего от источника подсвета до объекта наблюдения и от объекта до СН, и возникающие при этом: помехи "обратного рассеяния", источники вторичного подсвета объектов наблюдения (за счет переотражения и рассеивания). Фоновое излучение атмосферы, образующиеся за счет рассеянного атмосферой прямого солнечного излучения и т. п.
Функциональные свойства высокоинформативных систем типа САОРИ
Для упрощения анализа рассмотрим наиболее существенные особенности ППС типа САОРИ, связанные с пространственной апостериорной обработкой результатов первичных измерений. Анализ проведем с использованием разработанной в модели пространственного приемопередающего сигнала, которую применительно к рассматриваемому случаю можно записать в виде: где (r),i(s) - апертурные функции передающей и приемных антенн, соответственно, Е(г) — излучаемый передающей антенной пространственный сигнал, L(r, р) - линейный оператор, описывающий процессы распространения и взаимодействие волн с объектом наблюдения, г,р - пространственные координаты местоположения излучающего (г) и приемного (р) элементов.
Прежде всего, отметим, что в соответствии с (1) временной порядок получения результатов первичных измерений и использование их при обработке не оказывают влияния на модель (1) и, следовательно, на информационные возможности ППС. При физическом представлении процесса функционирования ППС может показаться, что, ввиду всегда за имеющегося на практике момента начала излучения сигнала каждым элементом передающей антенны, можно, управляя законом переключения излучающих элементов, получить дополнительную информацию об объекте наблюдения. В действительности такое представление оказывается не состоятельным, поскольку, имея множество зарегистрированных сигналов S(r, р) (г є Р, р є Q) (В любом порядке), при просмотре можно воспроизвести любой другой закон их получения во времени. Следовательно, в ППС с пространственной обработкой сигналов последовательность регистрации составляющих его элементов во времени значения не имеет.
Далее отметим, что выражение (1) может рассматриваться как уравнение, в котором S(r,p), а также \pr(r),i(s)nB(r), являются известными функциями, и задача состоит в обработке наблюдаемых данных S(r,p) с целью определения свойств (или построения математической модели) объекта наблюдения, представленных в (1) линейным оператором L(r,p).
В задачах дистанционного наблюдения обычно нет полной априорной информации об исследуемом объекте. По существующей классификации выделяют два основных уровня априорной информированности об объекте [77]. Первый уровень соответствует случаю, когда вид оператора известен с точностью до неизвестных параметров L(r,p) = L(r,p,9),9 = {Q,Q2...}T И задача построения математической модели объекта сводится к определению неизвестных параметров. 9. Второй, - когда L(r, р) может быть представлен возможными вариантами дДг,р,9;) и требуется определить, какая функция является истинной и найти неизвестные параметры.
С позиции теории оптимального приема сигналов первый уровень априорной неопределенности соответствует задачам оценки и параметров сигналов, второй — задачам различениям сигналов. При этом в теории обнаружения и оценок дополнительно рассматриваются уровни сложности задач в зависимости от того являются ли сигналы известными, или содержат неизвестные или случайные параметры.
Подобный подход, очевидно, может быть использован также для классификации задач, дистанционной диагностики, решаемых с помощью ППС и выработки критериев оценки их функциональных свойств и информационных, возможностей.
При практическом решении задач диагностики объектов особо важное значение имеют функциональные свойства системы, определяющие ее возможности по выделению информативных признаков проявления тех или иных свойств объектов наблюдения, используемых для классификации объектов, оценки их состояния режима функционирования и т.д. Для систем дистанционной диагностики возможность выделения информативных признаков физически связана с наличием дальнодействующих параметров волновых полей, излучаемых и переизлучаемых объектами наблюдения. В этой связи традиционно широко используются пространственные признаки распределения амплитуды поля по объекту, определяющие информативные признаки формы, текстуры объекта, а также спектральные, поляризационные и т.д. С этих позиций при применении ППС типа САОРИ появляется возможность использования дополнительного дальнодействующего параметра поля, связанного с управлением структурой полей облучения и приема, причем, апостериори, на этапе обработки результатов первичных измерений.
Оценка влияния характеристик антенн на информационные возможности систем типа САОРИ по измерению параметров электродинамической связи объектов
Как показано в п. 3.1 идеализированные приемопередающие системы (ППС) типа САОРИ с заполненными протяженными апертурами приемной и передающей антенн могут измерять амплитуды сигналов, однократно и двукратно отраженных от электродинамически связанных (разрешаемых системой) элементов двухточечного объекта. Эти качественно новые возможности ППС открывают перспективы дальнейшего повышения информативности методов и техники дистанционного наблюдения и их широкого применения для изучения свойств объектов. Поэтому их исследование имеет важное теоретическое и практическое значение. Однако рассмотренные в п. 3.1 ППС достаточно сложны по устройству. Кроме того, при их применении требуется длительное время получения результатов первичных измерений. В этой связи возникает задача исследования информационных возможностей ППС по измерению параметров электродинамически связанных объектов с более простыми антенными системами. В этой связи в настоящем параграфе проводится исследование влияния характеристик приемной и передающей антенн на информационные возможности ППС по измерению параметров электродинамической связи элементов двухточечного объекта.
Как показано в п. 3.1 об информационных возможностях ППС по измерению параметров электродинамической связи объектов можно судить по виду матрицы системы уравнений правдоподобия для получения оценок амплитуд однократного и двукратного отражения. Поэтому рассмотрим ее вид применительно к двум распространенным ППС: системе со сканированием совмещенными приемным и передающим элементами и системе с одним (групповым) передающим элементом и пространственно протяженной приемной антенной.
Из анализа (6) следует, что амплитуды двукратного отражения А]2, и А21 совместно образуют один параметр, который, однако, может быть оценен независимо от параметров Aj и А2, описывающих амплитуды сигналов однократного рассеивания от первого и второго отражателей.
Учитывая, что соответствующие координатные функции одновременно выполняют роль весовых функций в алгоритме оптимальной обработке исходных сигналов при определении раздельных оценок амплитуд однократного отражения от первого А] и второго А2 отражателей и при определении общей оценки амплитуды сигнала двукратного отражения (которую обозначим AS2), рассмотрим физическую сущность алгоритмов на основе анализа структуры координатных функций. Прежде всего, отметим, что в форме записи координатных функций равным образом можно было бы записать их в зависимости от координаты излучателя, т.е. заменив в (2) - (5) переменную р нат. Это объясняется тем, что координатные функции описывают путь прохождения элементарных сигналов от излучателя до приемника, и в данной ППС они «неразличимы, поскольку положения излучателя и приемника в пространстве совпадают (рис. 3.3).
Из анализа 8,,( , ,,)(2.2.2) и S22(p, 2)(2.23) физически ясны операции оптимальной системы при измерении Аь когда приемопередающая антенна фокусируется в точку расположения первого отражателя ,, и при измерении
А2, когда фокусирование осуществляется в точку %г. Однако алгоритм обработки данных при определении оценки амплитуды AS2 (если весовую функцию обработки данных отождествить с функцией S12), который заключается в одновременном облучении и приеме сигналов от двух отражателей не очевиден. Чтобы ответить на этот вопрос, а также на вопрос "Как изменятся статистические характеристики оценок параметров?", запишем систему уравнений правдоподобия в явном виде. Полагая, что отдельные отражатели двухточечного объекта системой разрешаются, получим
Из результатов проведенных вычислений следует, что оценка Ахг является несмещенной, а дисперсия оценки АЕ2 (с учетом уменьшения отношения сигнал/шум) такая же, как и дисперсия оценки других параметров. То есть, система со сканированием совмещенными приемным и передающим элементами, не обладающая способностью независимого апостериорного управления полем облучения и приема, тем не менее, способна выделять в результате оптимальной апостериорной обработки информацию о суммарной амплитуде сигнала только двукратного отражения.
Объяснить этот результат с позиций радиоголографии и антенной техники затруднительно. С позиций теории оптимальной пространственно-временной обработки сигналов можно предложить следующее объяснение.
В соответствии с моделью объекта элементарные сигналы первичных измерений проходят от излучателя до приемного элемента различными путями и, при достаточном разносе отражателей, имеют существенно различную фазовую структуру. В полном объеме эта информация содержится в массиве результатов первичных измерений, регистрируемых идеализованной ГШС. В соответствии с принципом функционирования каждая приемопередающая система, по-существу, осуществляет некоторую выборку из полного массива исходных данных часть данных, доступных для последующей оптимальной обработки. Как показали расчеты в выборке, которую осуществляет приемопередающая система со сканированием совмещенным приемным и передающим элементами эта информация извлекается в процессе оптимальной пространственной обра- ботки. Однако ограниченные информационные возможности рассматриваемой системы позволяют ей выделить лишь общую пространственную структуру фазы сигналов двукратно отражения, амплитуда которых и оценивается. Познавательная составляющая выполненного выше анализа состоит в том, что к информации, получаемой ППС, следует относиться как к единому сигналу, не выделяя при оценке информационных возможностей их принимаемые и излучаемые пространственно-временные сигналы. С этих позиций рассмотрим другие приемопередающие системы.
Влияние аподизации антенн на информационные возможности систем наблюдения, функционирующих в средах с потерями
В настоящем параграфе проводится оценка влияния аподизации антенн, осуществляемой в процессе пространственной обработки сигналов, на отношение сигнал/шум и угловую разрешающую способность, а также на информационные возможности систем наблюдения (СН), функционирующих в средах с потерями. Как отмечено в параграфе 4.1, влияние среды с потерями на функционирование СН можно описать апертурной функцией антенн вида (4.1.7) где r(/?) = yR2 + р2, а — коэффициент затухания, R — расстояние от антенны до точки наблюдения P(0,0,R), %,т] — координаты в плоскости раскрыва, а -радиус антенны. Как следует из (1) волны от удаленных от точки фокусирования элемен тов антенны в средах со значительными потерями претерпевают большее ос лабление и не оказывают влияния на результирующее поле антенны. На прак тике сложно, а порой невозможно, преодолеть ослабление волн от удаленных элементов антенны, однако, почти всегда, можно в процессе пространственной обработки сигналов ослабить волны от близко расположенных элементов, рас ширить пространственный спектр волн, участвующих в формировании резуль тирующего поля, и повысить угловую разрешающую СН. Вместе с тем это бу дет достигнуто ценой дополнительных энергетических. Поэтому в средах с по терями аподизация антенн приводит к противоречию между целями достиже ния энергетического выигрыша в отношении сигнал/шум и повышения угловой разрешающей способности. В этой связи при оценке влияния аподизации ан тенн эти параметры не могут в полной мере служить мерой качества СН и возникает необходимость использования показателей более высокого уровня. Подобная попытка и предпринята в настоящей работе.
Модель аподизации. Рассмотрим реализуемую аподизирующую функцию вида Действие (2) таково, что при общем ослаблении сигналов для элементов антенны i//A (р) 1 она в большей степени уменьшает амплитуды сигналов центральных элементов антенны (р — 0) и в меньшей степени от удаленных i//A(a) = l. При этом выбором значения па-раметра у в (2) регулируется общее ослабление сигнала и степень затухания сигнала от крайних элементов, по отношению к амплитуде сигналов от центральных. При наличии заметного затухания волн в среде, когда эффективный размер антенны ограничивается средой [113], аподизация (2) должна обеспечивать увеличение эффективных размеров антенны и повышение угловой разрешающей способности. Это подтверждается ниже приведенными расчетами. 1. Использование аподизации не всегда приводит к увеличению эффективного размера и повышению угловой разрешающей способности СН1 антенны. Так, если затухание волн в среде незначительно (aS «1), а, следовательно, и {{а — y)S «1), то угловая разрешающая способность СН фактически ограничена физическими размерами антенны, на которые аподизация не оказывает влияния. 2. В случае сильного затухания {а8 »1) даже применение слабой аподизации {у « а), приводит к увеличению эффективного размера антенны аэф(у) (ограниченного в этом случае действием поглощающей среды) в соответствии с выражением При этом относительная интенсивность (8), подверженная воздействию двух факторов: ослаблению за счет нормирующего множителя функции аподизации (первый сомножитель в (8) и росту за счет увеличения эффективных размеров антенны, второй сомножитель в (8)), все-таки по мере увеличения у уменьшается в 3. В общем случае влияние аподизации на интенсивность и эффективные размеры антенны иллюстрируется графиками функций Y (8) и X (9), приве денными на рис. 2, 3 в зависимости от безразмерных параметров в виде В целом, ввиду противоречивого характера изменения основных параметров СН, представляется необходимым рассмотреть влияние аподизации на информационные возможности СН.
