Измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Швырев, Борис Анатольевич

• Швырев, Борис Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Швырев, Борис Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛН ОТРАЖЕННЫХ ИЛИ ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ ИЗОТРОПНУЮ НЕОДНОРОДНОСТЬ СРЕДЫ.

1.1. Методы измерения углового положения источника излучения.

1.2. Синтез алгоритма обработки поляризационной структуры поля волн отраженных или прошедших через изотропную неоднородность среды.

1.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженны^йлй прошедших через изотропную неоднородность среды.V.

1.4. Экспериментальное измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженных или прошедших через изотропную неоднородность среды.

1.5. Выводы.

2. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛНЫ ПРОШЕДШЕЙ ИОНОСФЕРНУЮ ПЛАЗМУ.

2.1. Модель сигнала, прошедшего через ионосферу.

2.2. Синтез алгоритма обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ионосферную плазму.

2.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны для различных каналов ионосферного распространения.

2.4. Экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ионосферную плазму.

2.5. Статистическая модель сигнала, отраженного спорадическим слоем Е ионосферы.

2.6. Выводы.

3. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛНЫ

ПРОШЕДШЕЙ ОГРАНИЧЕННУЮ МАГНИТОАКТИВНУЮ

ПЛАЗМУ.

3.1. Модель сигнала прошедшего ограниченную магнитоактивную плазму.

3.2. Синтез алгоритма оптимальной обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму.

3.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны для различных режимов ограниченной магнитоактивной плазмы.

3.4. Экспериментальное измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму.

3.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля»

Измерение углового положения источника излучения обычно выполняют, оценивая положение эквифазной поверхности путем измерения зна-| чения фаз поля в различных точках приемной антенны. Производными методами являются амплитудно-фазовый метод, амплитудный метод и его разновидности метод максимума, метод минимума, равносигнальный метод Точность оценки углового положения источника излучения определяется отношением длины волны к размеру апертуры приемной антенны. Поэтому для измерения углового положения источника излучения с высокой точностью требуется антенна большого в длинах волн размера. Большие размеры антенн приводят к проблемам создания их конструкций, которые должны удовлетворять требованиям по точности изготовления, механическим нагрузкам и т.д.

Кроме этого имеют место ограничения по точности принципиального характера, когда размеры приемной антенны (или антенного комплекса) соизмеримы с дальностью до источника излучения. В этом случае, из-за кривизны волнового фронта источника излучения, точность оценки углового положения источника излучения уменьшается.

Другой способ измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля его волны предварительно, до регистрации, прошедшей через изотропную или анизотропную неоднородность среды. В этом способе отношение длинны волны к поперечным размерам приемной антенны уже не является фактором, определяющим точность оценки углового положения, а зависит от разности действия среды на компоненты вектора электромагнитного поля ортогонального поляризационного базиса. Здесь, неоднородная среда, которая помещается на пути между источником излучения и приемной антенной, выполняет роль трансформатора волнового вектора в поляризационную структуру поля волны.

Флуктуационные явления, сопровождающие процессы излучения, распространения и регистрации электромагнитных волн, приводят к снижению точности измерений углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля. Кроме того, существенное влияние на точность измерения оказывают априорные сведения относительно поляризационной структуры поля электромагнитной волны. Поэтому синтез алгоритма обработки поля необходимо производить с учетом этих факторов.

В литературе известны лишь точностные характеристики оценки углового положения источника излучения по поляризационному методу в маг-нитоактивной плазме, да и то лишь для некоторых её состояний. В связи с этим представляет научный и практический интерес исследовать применение неоднородных сред с различными изотропными и анизотропными параметрами неоднородностей естественного и искусственного происхождения для оценки углового положения источника излучения с точки зрения получения предельных точностных характеристик оценки.

Цель диссертационной работы - исследование предельных точностных характеристик оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля при использовании неоднородных сред естественного и искусственного происхождения с различными электродинамическими параметрами изотропных и анизотропных неоднородностей.

Представленные в диссертации вопросы изложены в трех разделах

В первом разделе рассмотрено ограничение на точность оценки углового положения источника интерферометрическим способом вызванное кривизной его волнового фронта. Найден алгоритм измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны отраженной или прошедшей изотропную неоднородность среды. Исследованы свойства выходного колебания приемника максимального правдоподобия. Получены выражения для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения. Вычислены характеристики оценки углового положения источника излучения для проводящих и непроводящих изотропных неоднородностей. Проведено исследование влияния параметров изотропной неоднородности на точность оценки углового положения источника излучения. Выполнены экспериментальные исследования.

Во втором разделе записана модель измерительного сигнала прошедшего анизотропную неоднородность среды - ионосферную плазму. Описана поляризационная структура поля волны на выходе из слоя ионосферной плазмы. Найден алгоритм измерения углового положения источника излучения поляризационной структуры поля волны прошедшей ионосферную плазму. Получены выражения для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения. Вычислены характеристики оценки углового положения источника излучения для различных каналов ионосферного распространения. Обработаны результаты экспериментальных измерений поляризационной структуры поля электромагнитной волны отраженной от спорадического слоя Ея. По экспериментальным данным построена модель флуктуаций компонент ортогонального поляризационного базиса в классе процессов авторегрессии и скользящего среднего. Выполнен анализ экспериментальных данных.

В третьем разделе записана модель измерительного сигнала прошедшего анизотропную неоднородность среды - ограниченную магнитоактив-ную плазму. Описана поляризационная структура поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму. Найден алгоритм обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму. Найдены выражения для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения. Вычислены характеристики оценки углового положения источника излучения для различных режимов ограни7 ченной магнитоактивной плазмы. Проведено исследование влияния параметров ограниченной магнитоактивной плазмы на точность оценки углового положения источника излучения. Выполнены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму газового разряда.

В заключении приведены выводы по работе в целом.

Результаты диссертационной работы докладывались на 3 Международных, 2 всероссийских, 2 межвузовских конференциях и 1 научно-практической конференции Воронежского института МВД России, опубликованы в 17 работах, в том числе свидетельство на полезную модель.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Швырев, Борис Анатольевич

3.5. Выводы

1. Записана модель измерительного сигнала прошедшего ограниченную 1 магнитоактивную плазму с резкими границами раздела, через параметры Стокса описана его поляризационная структура.

2. Синтезирован алгоритм измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля сигнала прошедшего ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела.

3. Получены соотношения для расчета точностных характеристик углового положения источника излучения, сигнал которого прошел ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела. Показано, что невозможно проводить измерение углового положения источника излучения с неизвестной начальной поляризацией.

4. Выполнен расчет и проведен анализ дисперсии оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела для четырех окон прозрачности плазмы. Показано, что в первом окне прозрачности дисперсия оценки углового положения постоянна в широком секторе углов, для второго окна прозрачности точность оценки в небольшом секторе углов больше, чем для первого окна, с ростом точности оценки сужается сектор измеряемых углов, в третьем и четвертом окне прозрачности дисперсия оценки углового положения в измеряемом секторе углов весьма не постоянна.

5. Выполнены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму газового разряда при различных концентрациях плазмы, которые подтверждают наличие эффекта изменения поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела двух сред при изменении углового положения источника излучения. Результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность записи модели измерительного сигнала на выходе из слоя ограниченной магнитоактивной плазмы, полученной на основе энергетического баланса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию предельных точностных характеристик оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля при использовании неоднородных сред естественного и искусственного происхождения с различными электродинамическими параметрами изотропных и анизотропных неоднородностей. При решении поставленной задачи использовался метод максимального правдоподобия.

В работе получены следующие результаты:

1. Получена модель измерительного сигнала прошедшего анизотропные неоднородности среды с резкими границами раздела сред, а так же описана его поляризационная структура.

2. Синтезирован алгоритм обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды.

3. Найдены асимптотически точные формулы для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды, в том числе анизотропной среды с резкими границами раздела, конкретизированные для каждого режима плазмы с распространением двух мод - обыкновенной и необыкновенной волн.

4. Определены точностные характеристики оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды, в том числе анизотропные среды с резкими границами раздела для различных электродинамических параметров этих сред.

5. В классе процессов авторегрессии и скользящего среднего, выбранных в качестве базисных функций, построены модели случайных процессов изменения во времени значений напряженности вертикальной и горизонтальной компонент поля волны прошедшей ионосферную плазму слоя Б, а также их разности фаз. Найдены характерные времена корреляции этих процессов.

6. Показано, что наибольшая точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в широком секторе углов достигается при использовании изотропных неоднородностей с комплексной диэлектрической проницаемостью, имеющей равные действительную и мнимую части, а так же в узком секторе углов при использовании изотропных неоднородностей с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности углов Брюстера.

7. Определены параметры ограниченной магнитоактивной плазмы, наиболее применимые для практического использования для определения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей анизотропную неоднородность.

На основание результатов полученных в диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Высокая апостериорная точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженных или прошедших изотропную неоднородность обеспечивается за счет изменения поляризационной структуры на границе раздела сред. Наибольшая точность оценки углового положения источника излучения достигается в широком секторе углов при использовании изотропных неоднородностей среды с комплексной диэлектрической проницаемостью имеющей равные действительную и мнимую части, в узком секторе углов при использовании изотропных неоднородностей среды с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности углов Брюстера.

2. Точность оценки углового положения источника излучения при распространении волн через ионосферу зависит от утла между волновым вектором и вектором напряженности магнитного поля Земли, а также от длинны пути волны в ионосфере.

3. Результаты анализа экспериментальных данных значений сигнала прошедшего ионосферный канал распространения показали наличие зависимости поляризационной структуры поля от географических координат источника излучения.

4. Дисперсия оценки углового положения при прохождении волны через | ограниченную плазму практически не зависит от истинного значения угла в | первом окне прозрачности магнитоактивной плазмы. Во втором окне прозрачности магнитоактивной плазмы дисперсия оценки угла меньше чем в первом, но в узком секторе углов. В третьем окне прозрачности магнитоактивной плазмы дисперсия оценки углового положения сильно зависит от параметров плазмы. В четвертом окне прозрачности магнитоактивной плазмы точность оценки углового положения низкая.

Таким образом в диссертационной исследовано влияния изотропных и анизотропных неоднородностей среды с различными электродинамическими параметрами на точность оценки углового положения источника излучения. Проведены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля. Полученные результаты позволяют выбрать параметры неоднородности среды и алгоритм оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в зависимости от имеющейся априорной информации и от требований, предъявляемых к точности оценки, сектору оцениваемых углов и к степени простоты технической реализации. Полученные результаты могут найти применение в радиолокации, пассивной локации, в системах радиосвязи и др.