Поляризационный след и поляризационный контраст малоразмерных радиолокационных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат наук Кривин Николай Николаевич

• Кривин Николай Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Кривин Николай Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОНЯТИЕ КОНТРАСТА ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И РАДИОЛОКАЦИОННОЙ КАРТЫ

1.1. Понятие поляризационного контраста

1.2. Поляризационные параметры радиолокационных объектов

1.2.1. Процедура выделения поляризационных инвариантов из матрицы рассеяния

1.2.2. Матрица Грейвса

1.2.3. Комплексная степень поляризационной анизотропии

1.2.4. Представление поляризационного отношения рассеянных объектом электромагнитных волн на комплексной плоскости радиолокационных объектов

1.2.5. Понятие близости и удалённости состояний поляризации радиолокационных объектов

1.2.6. Сферическая метрика как непосредственная мера близости состояний поляризации

1.3. Опыт отечественных и зарубежных исследователей в области поляризационного контраста

1.3.1. Общие тенденции современных исследований по вопросам обнаружения малоконтрастных радиолокационных объектов

1.3.2. Использование поляризационных инвариантов матрицы рассеяния в задаче поляризационного контрастирования радиолокационного изображения

1.4. Выводы. Постановка задачи

2. ЭФФЕКТ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО «СЛЕДА» ПРИ РАССЕЯНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СОСТАВНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

2.1. Демонстрация эффекта «следа» и поляризационного контраста для случая составного объекта, включающего одиночный стабильный рассеиватель

2.2. Наличие эффекта «следа» для случая составных радиолокационных объектов, включающих протяжённые искусственные объекты. Демонстрация невозможности объяснения эффекта «следа» при использовании классических методов статистической теории поляризации

2.2.1. Поляризационный «след» составных протяжённых объектов на радиолокационных картах местности

2.2.2. Анализ результатов обработки экспериментальных данных с точки зрения существующей статистической теории поляризации электромагнитных волн

2.3. Обратное рассеяние электромагнитных волн составными объектами. Близость состояний поляризации. Принцип эмерджентности

2.3.1. Обратное рассеяние электромагнитных волн составным радиолокационным объектом

2.3.2. Близость (удалённость) состояний поляризации. Принцип эмерджентности применительно к рассеянию волн распределёнными объектами

2.4. Статистическая теория поляризационного «следа» малоразмерного радиолокационного объекта на фоне подстилающей поверхности

2.4.1. Вероятностные теоремы о средних применительно к средним значениям близости и удалённости состояний поляризации центров вторичного рассеяния по отношению к состоянию поляризации стабильного объекта

2.4.2. Оценка среднего значения близости состояний поляризации при измерении параметров Стокса

2.4.3. Экспериментальные исследования статистики близости состояний поляризации сигнала, рассеянного составным объектом, к состоянию поляризации малоразмерного стабильного объекта

2.5. Выводы

3. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ КОНТРАСТ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ В РЕЖИМЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СКАНИРОВАНИЯ

3.1. Демонстрация эффекта «следа» и поляризационного контраста для случая составного объекта, включающего одиночный стабильный рассеиватель

3.2. Угловые зависимости поляризационно-энергетических параметров электромагнитного поля в режиме радиолокационного сканирования

3.3. Анализ инвариантных поляризационно-энергетических параметров Стокса при рассеянии случайной совокупностью центров вторичного рассеяния

3.4. Экспериментальное исследование поляризационного контраста малоразмерного искусственного объекта в режиме радиолокационного сканирования

3.5. Поляризационно-допплеровская функция отклика составного радиолокационного объекта и контраст слабо отражающих малоразмерных объектов

3.5.1. Определение поляризационно-допплеровской функции отклика составного радиолокационного объекта

3.5.2. Определение различия между элементами составного объекта

3.5.3. Эффект поляризационно-допплеровского «следа» как способ обнаружения слабо отражающих объектов на фоне подстилающей поверхности. Результаты эксперимента

3.6. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поляризационный след и поляризационный контраст малоразмерных радиолокационных объектов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Исследования, проводившиеся в течение последних двадцати лет, показали высокую эффективность использования поляризационных параметров рассеянной электромагнитной волны в задаче обнаружения искусственных малоразмерных радиолокационных объектов (РЛО) на фоне подстилающей поверхности (суша, море) в сложной помеховой обстановке, т.е. при наличии множественных мешающих работе обзорных радиолокационных станций (ОРЛС) отражений от поверхностно или пространственно распределённого составного РЛО. Применение так называемого радиолокационного контраста (РЛК), основанного на совместном использовании энергетических и поляризационных характеристик отраженной от объекта электромагнитной волны, существенно эффективнее использования чисто энергетического параметра объекта, такого как эффективная поверхность рассеяния (ЭПР). В данном случае поляризационный контраст значительно улучшает способность радара обнаруживать РЛО в сложных условиях помеховых отражений от окружающих цель элементов фона.

Однако решение вопроса повышения поляризационного контраста осложняется наличием множества поляризационных параметров отражённой РЛО волны, каждый из которых в принципе может использоваться для оценки поляризационного контраста. Так, в работе Карнышева В.И. была разработана процедура оценки поляризационного контраста РЛО по степени поляризационной анизотропии. К сожалению эта работа имеет существенные недостатки, связанные с неверным допущением автора о равноценности неполяризованной и псевдонеполяризованной электромагнитных волн для условий экспериментов, в ходе которых были получены использовавшиеся Карнышевым В.И. для теоретического анализа данные. Другим существенным недостатком выше упомянутой работы является использование энергетического критерия в оценке объективного поляризационного контраста на основе функции видности Майкельсона. В данном случае говорить об объективности критерия оценки поляризационного контраста некорректно, т.к. за контраст выдаётся разница величин некоего поляризационного параметра (в работе Карнышева В.И.

этим параметром является степень поляризационной анизотропии), характеризующего два соседних разрешаемых объёма ОРЛС. Таким образом, Карнышев В.И. определил понятие поляризационного контраста по аналогии с радиолокационным, когда сравниваются энергетические параметры ЭПР для соседних объёмов разрешения ОРЛС, что поставило его перед проблемой выбора адекватного поляризационного параметра.

Следует отметить, что бурное развитие компьютерных технологий и вычислительных систем в последнее время сдвинуло вектор современных исследований по вопросам обнаружения малоконтрастных РЛО в сторону использования методов математического моделирования отражательных характеристик радарных целей сложной пространственной конфигурации, перехода на полностью цифровые методы формирования и обработки сигналов с использованием новейших информационных технологий и развитых математических методов распознавания образов. Также имеет место переход к использованию РЛС высокого разрешения с синтезированной апертурой и применению в РЛС широкополосных и сверхширокополосных (СШП) зондирующих сигналов большой мощности (спектр сигналов в полосе частот 0,1.. .10 ГГц).

Состояние вопроса. Согласно обзору последних теоретических исследований в области поляризации радиолокационных сигналов, существует возможность увеличения эффективности обнаружения малоконтрастных РЛО поляризационными методами без привлечения каких-либо сложных методов математического моделирования и дорогостоящей вычислительной техники.

В процессе экспериментальных исследований, проведённых в период 1980-1990 гг. научными коллективами Московского института инженеров гражданской авиации (научный руководитель - д. ф.-м. н., профессор А.И. Козлов) и Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (научный руководитель - д. т. н., профессор В.Н. Татаринов) был обнаружен эффект значительного уменьшения среднеквадратичного отклонения (СКО) флуктуаций величин поляризационных параметров рассеянных сигналов при размещении на подстилающей поверхности малоразмерного (слабо отражающего) искусственного РЛО, обладающего стабильными поляризационными характеристиками.

При этом было установлено, что среднее значение величины измеряемого инвариантного поляризационного параметра сигнала, рассеянного «составным» радиолокационным объектом (подстилающая поверхность плюс малоразмерный стабильный объект), стремится к значению величины инвариантного поляризационного параметра искусственного объекта. Во всех сериях экспериментов указанный эффект, названный впоследствии эффектом поляризационного «следа», стабильно повторялся независимо от типа подстилающей поверхности (море, суша).

Теоретического обоснования данного эффекта не было обнаружено ни в отечественных, ни в зарубежных публикациях того времени, а ситуация 1990-2000 гг. не дала возможности российским специалистам найти его теоретическое обоснование.

Из изложенного следует, что в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема установления объективного критерия оценки поляризационного контраста для точечных и распределённых составных РЛО типа «фон» и «цель на фоне подстилающей поверхности», а также теоретического обоснования эффекта поляризационного «следа», непосредственно связанного с проблемой поляризационного контраста.

Цель работы - разработать критерий оценки объективного поляризационного контраста РЛО и экспериментально и теоретически обосновать эффект поляризационного «следа» для точечных и распределённых составных РЛО, обладающих стабильными поляризационными свойствами.

Основные задачи исследования:

- сделать обзор современных работ по тематике исследования;

- доказать необъективность критерия поляризационного контраста, базирующегося на использовании для его оценки функции видности Майкельсона;

- разработать критерий оценки объективного поляризационного контраста с привлечением понятий и методов современной теории поляризации;

- обосновать существование эффекта поляризационного «следа» для точечных и распределённых составных РЛО, обладающих стабильными поляризационными свойствами;

- доказать неприменимость классических методов статистической теории поляризации для объяснения эффекта поляризационного «следа»;

- разработать теоретическое обоснование эффекта поляризационного «следа» на основе использования понятий близости и удалённости состояний поляризации точечных и распределённых составных РЛО;

- с помощью экспериментальных данных проверить применимость теоретического обоснования эффекта поляризационного контраста для режима радиолокационного сканирования;

- выявить особенности поведения величин поляризационных инвариантов составного РЛО при наличии у малоразмерной цели движения.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Разработан критерий оценки объективного поляризационного контраста, отличающийся от известных тем, что базируется на результатах анализа близости (удаленности) состояний поляризации ЭМВ, рассеянных составными РЛО, а также на обобщении закона интерференции Френеля-Араго на волны с произвольной поляризацией.

2. Впервые предложено теоретическое обоснование эффекта поляризационного «следа», базирующееся на особенностях влияния поляризационных свойств стабильной искусственной точечной или распределённой цели на результирующие статистические характеристики поляризационных инвариантов составного РЛО.

3. Впервые в замкнутом виде получено выражение для инвариантного (третьего) параметра Стокса, позволяющее аналитически исследовать поляризационные свойства электромагнитного поля, рассеянного точечными и распределёнными радиолокационными объектами.

4. Впервые теоретически и экспериментально обоснована возможность применения критерия оценки объективного поляризационного контраста для режима радиолокационного сканирования.

5. На основе анализа разложения поляризационно-допплеровской функции отклика составного РЛО впервые предложен способ обнаружения слабо отражающих целей, движущихся на фоне подстилающей поверхности.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Разработан аналитический подход, позволяющий исследовать поляризационные свойства ЭМВ, рассеянной точечными или распределёнными составными РЛО типа «цель на подстилающем фоне».

2. Разработан критерий оценки объективного поляризационного контраста, позволяющий обнаружить радиолокационный объект в условиях, когда неприменимы энергетические критерии РЛК (например, когда суммарная энергия излучения, рассеянной фоном, во много раз больше энергии излучения, рассеянной целью).

3. Разработан способ обнаружения слабо отражающих малоразмерных РЛО, движущихся на фоне подстилающей поверхности, позволяющий определить наличие объекта в условиях, когда неприменимы энергетические критерии РЛК.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Применение критерия, использующего функцию видности Майкельсона, для оценки поляризационного контраста не позволяет учесть особенностей фазовой структуры ЭМВ, рассеянной составным РЛО, что не удовлетворяет требованию объективности.

2. Применение подхода, базирующегося на использовании основных понятий современной теории поляризации и обобщения закона интерференции Френеля-Араго на волны с произвольной поляризацией, позволяет обеспечить объективность оценки поляризационного контраста.

3. Аналитическая форма среднего значения третьего параметра Стокса позволяет исследовать поляризационные свойства ЭМВ, рассеянной составным РЛО, в замкнутом виде. Параметры Стокса волны, рассеянной составным объектом, определяются не только суммой параметров Стокса волн, рассеянных каждым из элементов такого объекта, но и связями между состояниями поляризации рассеивателей.

4. Разложение в ряд поляризационно-допплеровской функции отклика (ПДФО) составного РЛО, представляющего совокупность подстилающей поверхности и движущегося по ней искусственного слабоотражающего объекта, с дальнейшей реализацией спектрального анализа первого члена ряда позволяет решить задачу обнаружения этого объекта в случае, когда интенсивность ЭМВ, рассеянной

подстилающей поверхностью, значительно превосходит интенсивность ЭМВ, рассеянной движущимся точечным объектом.

Обоснованность научных положений и достоверность полученных результатов подтверждается их публикацией в рецензируемых научных журналах. Результаты экспериментов согласуются с результатами теоретических исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2008-2009 гг);

2) Х Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2010 г);

3) Международная конференция «Инновации в области информационных, коммуникационных наук и технологий IICST 2011» (Томск, 2011 г).

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе в качестве лекционных материалов по курсу дисциплин «Статистическая радиотехника», «Радиолокационные системы», «Уголковые отражатели в радионавигации» специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе: 12 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, и 5 полных текстов докладов в Трудах вышеупомянутых конференций. В том числе 4 публикации содержатся в изданиях, индексированных в базе данных Scopus, 3 - в базе данных Web of Science, 14 - в базе данных РИНЦ.

Личный вклад. Личный вклад соискателя заключается в самостоятельном проведении части аналитических исследований и в углублённой обработке данных экспериментов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 111 страниц, 32 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает 77 источников.

1. ПОНЯТИЕ КОНТРАСТА ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И РАДИОЛОКАЦИОННОЙ КАРТЫ

В первой главе диссертации осуществляется анализ существующего понятия контраста оптического изображения и радиолокационной (РЛ) карты на основе энергетических критериев и функции видности Майкельсона. Проведён анализ ключевых теоретических и экспериментальных работ по вопросам РЛК, выполненных в России и за рубежом. По результатам анализа сформулированы конкретные задачи диссертационного исследования.

1.1. Понятие поляризационного контраста

Радиолокационное зондирование окружающего пространства призвано решать задачи различного характера: управление воздушным и водным (речным, морским) движением, обнаружение и определение местоположения радиолокационных объектов и метеообъектов, а также их физических параметров: скорости, направления движения, геометрической формы и размеров.

Задачи РЛ зондирования окружающего пространства решают обзорные (в основном однопозиционные) радиолокационные системы (ОРЛС).

Носителем информации о параметрах РЛО является отражённый от него зондирующий сигнал. Его неизбежное преобразование, в результате которого разрушается полезная информация о свойствах цели, зависит от среды распространения сигнала, от условий, в которых находится РЛО, и от особенностей параметров последнего. Так, например, РЛ цель может находиться на фоне подстилающей поверхности (лесистая местность, поверхность моря и т. п.) или в объёме пространственно-распределённых объектов естественного (атмосферные неоднородности, метеообразования и гидрометеоры: плотный туман, дождь, снег, град) или искусственного (ложные цели, облака дипольных отражателей, аэрозолей или ионизированных частиц) происхождения. Также существует ряд способов целенаправленного ухудшения наблюдаемости РЛО на фоне активных и пассивных помех (уменьшение эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) или собственного

электромагнитного излучения защищаемого объекта, радиомаскировка, радиоэлектронная борьба) посредством использования малоотражающей формы и применения поглощающих и интерференционных противорадиолокационных покрытий (технология «Стелс») [1]. В этих случаях величина отражённого сигнала от фона или объёма будет превосходить величину полезного сигнала от цели, в результате чего РЛО не будет обнаружен.

Таким образом, зондирующий сигнал, несущий полезную информацию о параметрах цели, может быть зашумлён или подавлен, что является следствием эксплуатации ОРЛС в сложной помеховой обстановке. Итоговым результатом является ухудшение наблюдаемости РЛО на фоне пассивных или активных помех, т. е. снижение контраста цели и, как следствие, снижение вероятности обнаружения полезного сигнала.

Принятый сигнал поступает на системы первичной и вторичной обработки ОРЛС, после чего на экране монитора радара формируется РЛ изображение (РЛИ, радиолокационная карта). Оператор ОРЛС в данном случае является частью системы вторичной обработки сигнала и на основе визуального анализа отображаемой на экране ОРЛС информации принимает решение по обнаружению, распознаванию и определению координат РЛО. Эффективность работы такого человеко-машинного интерфейса определяется не только совершенством устройства индикатора и качеством отображения на нём РЛ информации, но и субъективными качествами оператора: его опытом, способностью к быстрой оценке поступающих данных и оперативному принятию правильных (адекватных) решений, а также свойствами его зрительной системы (чёткостью и контрастной чувствительностью зрения).

Последнее обусловлено особенностью формирования РЛК на экране радара: различие двух соседних разрешаемых объёмов определяется различием яркости свечения соседних элементов (пикселей) изображения. Поэтому, чтобы обнаружить различие двух соседних пикселей РЛ изображения, соответствующих двум соседним разрешаемым объёмам ОРЛС, с мало различающимися яркостями, оператор ОРЛС должен обладать чётким, высокочувствительным контрастным зрением. Но даже в случае выполнения этого условия, при продолжительной работе оператор должен сильно напрягать своё зрение, что влечёт падение его работоспособности и негативно

сказывается на здоровье. К тому же нередки ситуации, когда два соседних пикселя РЛ изображения имеют одинаковые яркости, хотя соответствующие им РЛО могут быть абсолютно не идентичны друг другу по физическим параметрам, или когда сосредоточенный малоразмерный РЛО находится на фоне подстилающей поверхности. В обеих ситуациях оператор физически не способен отличить два РЛО, что приводит его к ошибочному заключению о существовании только одного объекта вместо двух либо об отсутствии цели.

Оптический контраст двух соседних пикселей РЛИ на экране индикатора пропорционален отношению энергий, рассеянных двумя РЛ объектами зондирующих РЛ сигналов. Эти величины в свою очередь определяются эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) РЛО. Если они равны, разрешение соседних целей на экране ОРЛС невозможно. Так как два соседних РЛО имеют различные физические и геометрические параметры, то даже в случае равенства их ЭПР разрешение этих объектов должно быть выполнимо с использованием каких-то других параметров рассеянной волны. К последним относятся неэнергетические (поляризационные) или допплеровские параметры. Необходимо помнить, что рассеянная ЭМВ несёт информацию как о цели (пространственно-распределённой или точечной), так и о фоне, на котором эта цель расположена.

Таким образом, задача повышения наблюдаемости РЛО в ситуации «цель на подстилающем фоне» сводится к увеличению радиолокационного контраста, который представляет собой комбинацию двух контрастов: энергетического на основе ЭПР и поляризационного на основе некоего параметра, характеризующего поляризационные свойства цели. Причём использование РЛ контраста только на основе энергетических (без учёта поляризационных) параметров отражённой от цели волны может быть неэффективным по рассмотренным выше причинам. Таким образом, очевидна необходимость использования поляризационного контраста как разновидности более общего РЛ контраста для решения задач обзорной радиолокации.

Одним из первых понятие радиолокационного контраста, объединяющее энергетический и поляризационный, ввёл А.И. Козлов [2, 3]:

= Пл=£Ё) 1 + q л sin2y cos (2Ф ^ + у 12 ) ст (Л) ,

g _ ^ _ (р) " . / \ _ (Р) "g , v1.-1/

П р а ^ 1 + qР sin2ycos(2ф ^-у 12) а (^

где Пл, Пр - плотности потоков мощности сигналов, отражённых от двух РЛО с разными матрицами рассеяния, при облучении их полностью поляризованной волной; с с 2Р) - полные ЭПР первого и второго РЛО; q л, qР - степени их поляризационной анизотропии по мощности; 2у - угол между точками на сфере Пуанкаре, соответствующими поляризационному базису, где матрица рассеяния диагональна, и базису, где проводятся измерения; 2ф - разность фаз ортогонально-

поляризованных компонент; у12 - угол между собственными поляризационными базисами РЛО.

Из формулы (1.1) видно, что отношение g есть произведение двух сомножителей, первый из которых не зависит от вида поляризации падающей волны и представляет собой отношение полных ЭПР целей, а второй, учитывающий их поляризационную анизотропию, зависит от вида поляризации облучающей волны с параметрами

(у,2Ф ху ) .

Таким образом, здесь величина поляризационного контраста двух РЛО определена в виде отношения плотностей потоков мощности рассеянных сигналов и будет варьироваться от минимального до максимального значения при изменении вида поляризации падающей волны. Задача поляризационного различения двух РЛО в данном случае заключается в нахождении некоего поляризационного параметра облучающей ЭМВ, который будет максимизировать контраст соответствующих РЛО с произвольными поляризационными характеристиками.

Отсюда следует необходимость анализа поляризационных параметров с целью выделения наиболее информативного, с использованием которого могут быть эффективно разделены два РЛО с произвольными поляризационными свойствами.

1.2. Поляризационные параметры радиолокационных объектов

Информацию о поляризационных свойствах РЛО несёт рассеянная им ЭМВ. Как было сказано выше, в общем случае объект может располагаться либо на фоне подстилающей поверхности, либо в объёме пространственно-распределённых объектов. Следовательно, отражённая от объекта ЭМВ помимо полезной информации содержит информацию об окружающем фоне (объёме), которая затрудняет обнаружение целей. Таким образом, возникает задача выделения информации об РЛО из суммарной рассеянной ЭМВ.

Для представления поляризационных параметров существует несколько взаимосвязанных методов [4]: геометрический, параметры Стокса, вектор Джонса, поляризационное отношение в различных поляризационных базисах, методы представления поляризации волн на комплексных плоскостях различного типа и на поляризационной сфере Пуанкаре. Все они тесно взаимосвязаны за счёт понятия эллипса поляризации ЭМВ (см. рис. 1.1), геометрия которого однозначно связана с амплитудно-фазовыми соотношениями пространственно-ортогональных

составляющих ЭМВ, заданных в опорной системе координат ОРЛС.

у

Рис. 1.1. Поляризационный эллипс электромагнитной волны

Параметрами поляризационного эллипса являются:

- ориентация в пространстве (определяется указанием направления

распространения плоской ЭМВ, т. е. волновым вектором к);

- ориентация собственной системы координат (азимут, |3), образованная его полуосями, относительно выбранной опорной системы координат, которая обычно связана с облучателем антенны радара;

- форма (эллиптичность, К = Ь/а = tga,-1 <К < +1);

- направление обхода (направление вращения);

- амплитуда (размер, определяющийся длиной его полуосей А = Vа 2 + Ь 2);

- абсолютная временная фаза (угол между начальным положением электрического вектора в момент времени ? = 0 и большой полуосью эллипса).

Следует отметить [4], что параметры размера и абсолютной временной фазы поляризационного эллипса не связаны с его геометрическими параметрами, а направление вращения объединяется с величиной эллиптичности и задаётся соответствующим знаком («плюс» - для правого, «минус» - для левого направления вращения, определённого с точки зрения наблюдателя, рассматривающего волну против направления распространения).

Таким образом, основной интерес для анализа поляризации рассеянной ЭМВ представляют величины эллиптичности и азимута поляризационного эллипса.

Свойства радиолокационного объекта описываются его матрицей рассеяния, формализм которой в значительной степени совпадает с формализмом матрицы Джонса. Последняя описывает поляризационные свойства произвольного простого прибора и его влияние на параметры проходящей сквозь него ЭМВ. В свою очередь матрица Джонса связана с матрицей Мюллера унитарным [5] преобразованием матрицы когерентности (МК) (4-мерный вектор-столбец) плоской частично-поляризованной волны (ЧПВ), которой в общем случае является ЭМВ, рассеянная радиолокационным объектом.

Матрица Мюллера связывает представления падающей на РЛО и рассеянной им волн соответствующими векторами Стокса

$ рас = под-' (1-2)

где 8 , § тд-вектора Стокса соответственно рассеянной и падающей волны; М -

(4х4) матрица Мюллера.

Матрица рассеяния связывает соответствующие ортогональные электрические компоненты падающей и рассеянной волн, представленных в виде двумерных комплексных векторов

Е

рас

£

■Е

пад'

(1.3)

где Ерас =

£ рас Л

* Е ч =

77 рас ' пад

СУ

Е

пад

. д - векторы Джонса соответственно рассеянной и

Е,

у

падающей волны;

5 _ ^ 11 512

5 21 ^22

- в общем случае комплексная (2х2) матрица

рассеяния РЛО.

Матрицы Мюллера и Джонса связаны с помощью унитарного преобразования следующим соотношением

||м|| = ||Г| |(| *)| |Г||. (1.4)

где £ - эрмитовый оператор, описывающий прохождение волны через простой

и и и и

прибор (матрица Джонса), Г , Г - соответственно унитарный и обратный ему

операторы ( 8 = Г • ||Г|| 1 - единичная матрица).

Для случая активной однопозиционной обзорной радиолокации в зоне Фраунгофера (дальняя зона) выполняется теорема взаимности [3, 6], при которой ^ 12 = ^ 21. В этом случае матрица рассеяния несёт всю информацию о РЛО. Однако её параметры изменяются во времени, поэтому эффективность использования матрицы рассеяния определяется их стабильностью. В случае квазимонохроматичности ЭМВ свойства матрицы рассеяния РЛО будут сохраняться, как если бы объект был стабильным [3, 7]. Несмотря на это, описание свойств РЛО параметрами матрицы рассеяния в реальной обстановке затруднено в виду их зависимости от условий наблюдения и от движения РЛО. Более эффективным является использование инвариантных параметров матрицы рассеяния, что обусловлено независимостью их

величин от взаимной ориентации собственного поляризационного базиса РЛО и системы координат, связанной с антенной РЛС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кривин Николай Николаевич, 2015 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов / П.А. Бакулев. -М.: Радиотехника, 2004. - 320 с.

2. Козлов А.И. Радиолокационный контраст двух объектов / А.И. Козлов // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1979. - Т. 22, № 7. - С. 63-67.

3. Богородский В.В. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов / В.В. Богородский, Д.Б. Канарейкин, А.И. Козлов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 280 с.

4. Татаринов В.Н. Поляризация плоских электромагнитных волн и её преобразования / В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов, Л.П. Лигтхарт. - Томск: Издательство Томского университета, 2006. - 379 с.

5. О'Нейл Э. Введение в статистическую оптику / Пер. с англ.; под ред. П.Ф. Паршина. - М.: Мир, 1966. - 254 с.

6. Канарейкин Д.Б. Поляризация радиолокационных сигналов / Д.Б. Канарейкин, Н.Ф. Павлов, В.А. Потехин. - М.: Советское радио, 1966. - 440 с.

7. Джули Д. Поляризационное разнесение в радиолокации / Д. Джули // - ТИИЭР. -1986. - Т. 74, № 2. - С. 6-35.

8. Sinclair G. The transmission and reception of elliptically polarized waves// Proc. IRE., 1950, vol. 38, p. 148-151.

9. Ramsey V.H. Transmission between elliptically polarized antennas / V.H. Ramsey // Proc. IRE. - 1951. - V. 39(5). - P. 535-540.

10. Kennaugh E.M. Effects of the type of polarization on echo characteristics / E.M. Kennaugh // Ohio State University, Antenna Lab., Columbus, OH. - 1949 - 1954. -Reports 389-4, P. 35 and 389-9, P. 39.

11. Deschamps G.A. Geometrical representation of the polarization of a plane electromagnetic wave / G.A. Deschamps // Proc. IRE. - 1951. V. 39. - P. 540-544.

12. Kennaugh E.M. Polarization properties of radar reflections / E.M. Kennaugh // M. Sc. Thesis Dept. of Electrical Engineering, The Ohio State University, Columbus. - 1952.

13. Copeland J.R. Radar targets classification by polarization properties / J.R. Copeland // Proc. IRE. - 1960. - V. 48(7). - P. 1290-1296.

14. Huynen J.R. Radar targets sorting based upon polarization signature analysis / J.R. Huynen // Sci. Rep. №4/LMSD 288216, Lockheed Missiles and Space Division, Sunnyvale, CA (AF 19/604) 5550: declassified 1970.

15. Huynen J.R. Phenomenological theory of radar targets / Huynen J.R. // Drukkerij Bronder offset n.v. Rotterdam. - 1970. - 219 p.

16. Канарейкин Д.Б. Морская поляриметрия / Д.Б. Канарейкин, В.А. Потехин, И.Ф. Шишкин - Л.: Судостроение, 1968. - 328 с.

17. Поздняк С.И. Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн / С.И. Поздняк, В.А. Мелитицкий - М.: Советское радио, 1974. - 480 с.

18. Потехин В.А. Вопросы классической теории частичной когерентности случайного электромагнитного поля / В.А. Потехин, В.Н. Татаринов. - Томск: Изд-во Томского государственного университета, 1974. - 240 с.

19. Потехин В.А. Теория когерентности электромагнитного поля / / В.А. Потехин, В.Н. Татаринов. - М.: Связь, 1978. - 208 с.

20. Boerner W.M. Polarization dependence in electromagnetic inverse problems / W.M. Boerner, M.B. El-Arimi, C.Y. Chan, P.M. Mastoris // IEEE Trans. Antennas and propagation. - 1981. - V. AP-29(2). - P. 262-271.

21. Boerner W.M. (editor) Inverse methods in electromagnetic imaging. / W.M. Boerner // Proc. of NATO advanced research workshop on inverse method. NATO ACI Series C. Math. and Phys. Sci. D. Reidel Publ. Co. Dordrecht, the Netherlands. - 1985.

22. Boerner W.M. (editor) Inverse methods in electromagnetic imaging. / W.M. Boerner // Proc. of NATO advanced research workshop on inverse method. NATO ACI Series C. Math. and Phys. Sci. D. Reidel Publ. Co. Dordrecht, Boston. - 1992.

23. Saillard J., Pottier E., Boerner W.M. // Proc. Radar polarimetry, JIPR-1, University of Nantes, France, March. - 1990.

24. Saillard J., Pottier E., Boerner W.M. // Proc. Radar polarimetry, JIPR-2, University of Nantes, France, March. - 1992.

25. Saillard J., Pottier E., Boerner W.M. // Proc. Radar polarimetry, JIPR-3, University of Nantes, France, March. - 1995.

26. Cloude S.R. A review of target decomposition theorems in radar polarimetry / S.R. Cloude, E. Pottier // IEEE Trans. on geoscience's and remote sensing. - 1996. - V. 34, № 2. - P. 498-518.

27. Krogager E. Aspects of polarimetric radar imaging. / E. Krogager // Doctoral (Dr. Sci. Tech) thesis, Technical University of Denmark, Electromagnetic Institute, Lyngly, DK.

- 1993. - 258 p.

28. Luneburg E. Radar polarimetry: a revisitation of basis concepts in direct and inverse electromagnetic scattering / E. Luneburg // Pitman research notes in mathematics series.

- Addison -Wesley Longman Co. - 1996. - № 361. - P. 257-273.

29. Czyz Z.H. Polarization properties of non-symmetrical scattering matrix - a geometrical interpretations / Z.H. Czyz // IEEE Trans. AES. - 1991. - V. 27(5). - P. 771-783.

30. Proceedings of the IEEE. - 1965. - V. 53, № 8.

31. Уфимцев П. Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции / П. Я. Уфимцев. - М.: Советское радио, 1962. - 243 с.

32. Proceedings of IEEE. - 1985. - V. 77, № 5.

33. IEEE Trans. on antennas and propagation. - 1989. - № 5.

34. Островитянов Р.В. Статистическая теория радиолокации протяжённых целей / Р.В. Островитянов, Ф.А. Басалов - М.: Радио и связь, 1982. - 232 с.

35. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы / Е.А. Штагер. - М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.

36. Stratton J.A. Diffraction theory of electromagnetic waves / J.A. Stratton, L.J Chu // Phys. Rev. - 1939. - V. 56. - P. 308-316.

37. Grawes D. Radar polarization matrix of power scattering / D. Grawes // Proc. IRE. -1956. - V. 44, № 2. - P. 248-252.

38. Татаринов С.В. Комплексная плоскость радиолокационных объектов / С.В. Татаринов // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Томск). - 2005. - Ч. 5. -С. 201-202.

39. Аззам Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара // Пер. с англ.; под ред. А.В. Ржанова, К.К. Свиташева. - М.: Мир, 1981. - 583 с.

40. Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. А.В. Соколова. - М.: Радиотехника, 2003. - 512 с.

41. Сарычев В.А. Сложные сигналы произвольной поляризационной и временной структуры и их применение в электросвязи / В.А. Сарычев // Электросвязь. -2003. - № 7. - С. 43-46.

42. Борзов А.Б. Научно-технические достижения и проблемы развития техники миллиметрового диапазона радиоволн / А.Б. Борзов, Р.П. Быстров, В.Г. Дмитриев, Э.А. Засовин, А.А. Потапов, А.В. Соколов, И.В. Чусов // - Зарубежная радиоэлектроника. - 2001. - № 4. - С. 18-80.

43. Пирогов Ю.А. Сверхразрешение в системах радиовидения миллиметрового диапазона / Ю.А. Пирогов, В.В. Гладун, Д.А. Тищенко // - Труды Всероссийской школы-семинара «Физика и применение радиоволн» (Красновидово, Моск. обл.). - 1999. - Т. 2, - С. 191-192.

44. Быстров Р.П. Метод обработки когерентных сигналов при обнаружении слабо рассеивающих наземных объектов / Р.П. Быстров, В.Л. Румянцев, А.В. Петров, Р.Р. Садыков // Науч. вестник МГТУ ГА, сер. «Радиофизика и радиотехника». -2000. - № 24. - С. 112-125.

45. Буриев В.А. Обнаружение слабоотражающих объектов на фоне подстилающей поверхности на основе использования свойств вторичного излучения в направлении распространения электромагнитной волны / В.А. Буриев, Н.Г. Лапаев // Тез. Докладов 8 Всероссийской Школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» (Красновидово, Моск. обл.).

46. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. Топология выборки / А.А. Потапов - М., Университетская книга, 2005. - 848 с.

47. Борзов А.Б. Анализ радиолокационных характеристик объектов сложной формы методом математического моделирования / А.Б. Борзов // Боеприпасы. - 1994. -№ 3. - С. 32-38.

48. Антифеев В.Н. Математические модели рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы / В.Н. Антифеев, А.Б. Борзов, Р.П. Быстров // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1998. - № 10. - С. 38-54.

49. Карнышев В.И. Поляризационный контраст радиолокационных объектов: дисс. канд. тех. наук: 05.12.04 / Карнышев Владимир Иванович. - Томск, ТИАСУР, 1993. - 232 с.

50. Татаринов В.Н. Поляризационный контраст искусственных навигационных знаков при использовании псевонеполяризованного излучения / В.Н. Татаринов, Е.В. Масалов, В.И. Карнышев // Материалы 15 Всесоюзной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. - М.: 1990.

51. Масалов Е.В. Использование динамических поляризационных фильтров в задачах селекции и идентификации радиолокационных объектов: дисс. канд. тех. наук: 05.12.04 / Масалов Евгений Викторович. - Томск, ТИАСУР, 1984. - 259 с.

52. Перегудов Ф.И. Принципы системного анализа / Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко.

- Томск, 2001. - 350 с.

53. Кривин Н.Н. Рассеяние электромагнитных волн двухточечными радиолокационными объектами / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника».

- 2012. - № 186. - С. 15-21.

54. Кривин Н.Н. Поляризационные инварианты в задачах обнаружения малоразмерных РЛО / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2011. - № 171. - С. 14-19.

55. Кривин Н.Н. Формирование параметров поляризационного спекла при когерентном рассеянии как интерференционный процесс / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2011. - № 171. - С. 44-49.

56. Кривин Н.Н. Поляризационно-допплеровская функция отклика составного РЛО в задаче обнаружения. / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2011. - № 171. - С. 40-43.

57. Кривин Н.Н. Средние значения инвариантных поляризационных параметров при рассеянии составными объектами / Н.Н. Кривин, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Известия вузов. Физика. - 2011. - Т. 54, № 4. - С. 70-75.

58. Кривин Н.Н. Роль поляризационного коэффициента приёма в задаче помехоустойчивости при многолучевом распространении радиоволн / Н.Н. Кривин, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Известия вузов. Физика. - 2012. - Т. 55, № 2. - С. 173-179.

59. Кривин Н.Н. Поляризационно-энергетические параметры ЭМП при рассеянии двухточечными РЛО / Н.Н. Кривин, В.Н. Татаринов, П. ван Гендерен, С.В. Татаринов // Материалы докладов Х международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск). - 2010. - Т. 4. - С. 1620.

60. Кривин Н.Н. Поляризационные инварианты в задачах обнаружения, картирования и селекции / Н.Н. Кривин, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Материалы докладов Х международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск). - 2010. - Т. 4. - С. 21-24.

61. Кривин Н.Н. Формирование поляризационно-энергетических параметров углового распределения спекла как интерференционный процесс при рассеянии ЭМВ сложными объектами. / Н.Н. Кривин, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Материалы докладов Х международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск). - 2010. - Т. 4. - С. 25-28.

62. Кривин Н.Н. Близость состояний поляризации РЛО на комплексной плоскости и понятие поляризационного контраста РЛО / Н.Н. Кривин, С.В. Татаринов // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Томск). - 2009. - Ч. 5. - С. 333-335.

63. Козлов А.И. Статистическая теория поляризации / А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов - Томск: Издательство Томского государственного университета, 2007. - 568 с.

64. Tatarinov V.N. A generalization of Fresnel-Arago Interference Laws / V.N. Tatarinov, S.V. Tatarinov // Proc. Of Int. Conf. SoftCOM'09, Split-Hwar, Croatia, Sept. - 2009.

65. Tatarinov V.N., Tatarinov S.V., P. van Genderen, Tran D., Zijderveld J. he Reports of IRCTR-S-028-03 and IRCTR-S-029-04, Delft, The Netherlands. - 2004.

66. Хлусов В.А. Моноимпульсные измерители поляризационных параметров радиолокационных объектов: дисс. канд. тех. наук: 05.12.04 / Валерий Александрович Хлусов. - Томск, ТИАСУР, 1989. - 187 с.

67. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели / В.О. Кобак. - М.: Советское радио, 1975. - 248 с.

68. Вентцель Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель. - М.: Наука, 1964. - 576 с.

69. Градштейн И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик. - М.: Физматгиз, 1962. - 1100 с.

70. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров / А. Анго // Пер. с франц; ред. К.С. Шифрин. - М.: Наука, 1967. - 780 с.

71. Кривин Н.Н. Формирование параметров поляризационного спекла при когерентном рассеянии как интерференционный процесс / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2012. - № 186. - С. 22-27.

72. Кривин Н.Н. «Поляризационный след» при рассеянии электромагнитных волн составными объектами / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника».

- 2013. - № 189. - С. 66-73.

73. Кривин Н.Н. Эффект «поляризационного следа» слабоконтрастных целей и его экспериментальное подтверждение / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2013. - № 189. - С. 74-80.

74. Кривин Н.Н. К вопросу об обобщении законов интерференции Френеля-Араго на волны с произвольной поляризацией / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2013. - № 189. - С. 81-86.

75. Кривин Н.Н. «Поляризационный след» при рассеянии электромагнитных волн составными объектами / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника».

- 2014. - № 210 (12). - С. 18-28.

76. Кривин Н.Н. Поляризационно-допплеровская функция отклика составного РЛО в

задаче обнаружения. / Н.Н. Кривин, А.И. Козлов, В.Н. Татаринов, С.В. Татаринов // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Радиофизика и радиотехника». - 2013. - № 193. - С. 26-28.

77. Krivin N.N. Innovations in Radar Technologies: Polarization Invariants Parameter Utilization for the Problem of Radar Object Detection and Mapping / N.N. Krivin, V.N. Tatarinov, S.V. Tatarinov // Proceedings of the First Postgraduate Consortium International Workshop, IICST 2011, Tomsk, Russia, October, 2011, pp. 62-69.