Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки сверхширокополосных радиолокационных сигналов, позволяющих компенсировать их искажения при прохождении через неоднородную ионосферу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Строев Алексей Константинович

• Строев Алексей Константинович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Строев Алексей Константинович

Введение

Глава 1. Особенности использования сверхширокополосных сигналов в космической радиолокации

1.1 Сверхширокополосные сигналы

1.2 Ионосфера

1.3 Природа ионосферы

1.4 Влияние ионосферы на распространяющиеся через нее радиоволны

1.5 Ионосферные искажения радиосигнала и их компенсация

1.6 Моделирование ионосферы

1.7 Методы измерения электронной концентрации

1.8 Двухполосный метод измерения полного электронного содержания

1.9 Ионосферные неоднородности

1.10 Выводы

Глава 2. Двухполосный метод

2.1 Измерение разности задержек на двух частотах при отражении от объекта сложной формы

2.2 Влияние доплеровского сдвига на измерение полного электронного содержания двухполосным методом

2.3 Оптимальный выбор разбиения сигнала на полосы

2.4 Требования к полосе сигнала

2.5 Выводы

Глава 3. Обработка экспериментальных данных измерения электронной концентрации неоднородной ионосферы спутником Dynamics

Explorer

3.1 Аппроксимация корреляционной функции

3.2 Аппроксимация спектра

3.3 Влияние неоднородностей на распространяющийся сигнал

3.4 Выводы

Глава 4. Построение изображений методом инверсного синтеза апертуры с учетом распространения в неоднородной среде

4.1 Методика построения изображения

4.2 Влияние неоднородной атмосферы на синтезирование апертуры

4.3 Выводы

Глава 5. Помехи, вызванные отражением от подстилающей поверхности или от ионосферных неоднородностей

5.1 Авроральные отражения

5.2 Сравнение короткоимпульсного и ЛЧМ сигналов в задаче отражения от случайно-шероховатой поверхности

5.3 Выводы

Глава 6. Создание программы для моделирования обработки СШП сигналов в сложных условиях

6.1 Учет шума

6.2 Учет доплеровского сдвига

6.3 Структура моделирующей программы

6.4 Примеры работы модели

6.5 Выводы

Заключение................................................................................................11S

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки сверхширокополосных радиолокационных сигналов, позволяющих компенсировать их искажения при прохождении через неоднородную ионосферу»

Состояние проблемы и ее актуальность

Сверхширокополосные радиосигналы дециметрового и сантиметрового диапазонов находят все более широкое применение в ряде областей, в том числе в радиолокации космических объектов. Использование сверхширокополосных сигналов позволяет значительно улучшить характеристики радиолокационной системы, такие как разрешение по дальности, помехозащищенность, возможность распознавания наблюдаемых объектов.

Радиолокационные системы, как известно, реализуют косвенные измерения интересующих нас параметров. Так, дальность определяется по задержке принимаемого сигнала относительно излучаемого, а радиальная скорость - по доплеровскому сдвигу частоты. Для определения параметров наблюдаемого объекта по радиотехническим измерениям принятого сигнала необходима модель, связывающая эти величины. Такая модель должна, в том числе, учитывать особенности среды распространения.

Проходя через ионосферу, радиолокационные сигналы подвергаются существенным искажениям: возникают дополнительная задержка и дополнительный сдвиг частоты, изменяются направление распространения и поляризация сигнала, что вносит ошибки в результаты измерения. В случае сверхширокополосных сигналов к перечисленным искажениям добавляется дисперсионное расплывание импульса, которое может сделать невозможным согласованную фильтрацию и обнаружение сигнала.

Еще одной проблемой, вызываемой ионосферой, является влияние ионосферных неоднородностей. Неоднородности можно разделить на крупномасштабные и мелкомасштабные - через первые волна проходит, почти не меняя своего направления, а на вторых рассеивается, в том числе назад. При прохождении через крупномасштабные неоднородности может нарушаться когерентность сигнала при когерентном накоплении или при

синтезировании апертуры. Влияние ионосферных неоднородностей сходно с влиянием турбулентной тропосферы, однако их структура хуже изучена. Для оптимального определения характеристик системы с учетом влияния неоднородностей необходима модель их влияния на распространяющийся сигнал, что, в свою очередь, требует исследования их статистических характеристик.

Еще более важной является проблема отражения от ионосферных неоднородностей, которое может вызывать появление ложных радиолокационных отметок. Особенно часто это случается в полярных регионах, где ионосферные неоднородности обладают высокой интенсивностью и вытянуты вдоль магнитного поля. Для модернизации алгоритмов защиты от ложной тревоги необходима модель рассеяния радиосигнала на случайно-неоднородном участке ионосферы.

Еще одна проблема, относящаяся к сверхширокополосной радиолокации в сложных условиях - отражение от подстилающей поверхности. Переход к сверхширокополосной радиолокации позволяет рассматривать использование сигналов в виде короткого немодулированного импульса. Корреляционная функция такого сигнала не имеет боковых лепестков, что позволяет ожидать лучшего отношения сигнал-помеха при их использовании. Следует оценить, насколько значительным будет выигрыш, поскольку использование сигналов в виде короткого импульса может быть технически сложным. Эта задача математически близка к задаче рассеяния на участке случайно-неоднородной ионосферы и также рассматривается в диссертации.

Сложности, связанные с влиянием внешних условий, в том числе среды распространения, являются основным препятствием к повышению точности широкополосных радиолокационных систем. В связи с этим необходимы методы, позволяющие учесть влияние внешних условий на

распространяющиеся широкополосные сигналы. Приведенные соображения определяют актуальность рассматриваемой проблемы.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание или модернизация методов и алгоритмов обработки широкополосных радиолокационных сигналов для работы в сложных условиях, в том числе вызванных влиянием ионосферы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка модели ионосферных искажений широкополосного сигнала и их компенсации.

2. Реализация модели двухполосного метода измерения полного электронного содержания ионосферы с учетом протяженного объекта наблюдения и доплеровского сдвига. Оптимизация параметров двухполосного метода. Оценка применимости двухполосного метода в зависимости от ширины полосы.

3. Определение статистических характеристик (корреляционной функции и спектральной плотности мощности) ионосферных флуктуаций на основе экспериментальных измерений электронной концентрации.

4. Создание радиофизической модели рассеяния радиолокационного сигнала на авроральных неоднородностях.

5. Разработка упрощенной модели отражения сигнала от случайно -неоднородной поверхности. Сравнение разных видов сверхширокополосных сигналов (ЛЧМ и короткого импульса) применительно к задаче наблюдения за объектом на фоне случайно-неоднородной поверхности.

6. Исследование влияния среды распространения на изображения, получаемые методом инверсного синтеза апертуры.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются широкополосные радиолокационные системы, работающие в сложных условиях. Предметом исследования являются методы и алгоритмы обработки широкополосных радиолокационных сигналов в сложных условиях.

Научная новизна

В работе представлены следующие новые результаты:

1. Предложен и исследован метод «центра масс» для измерения разности задержек сигналов на разных частотах. Показано, что данный метод является более устойчивым при наблюдении за протяженным объектом сложной формы, чем предлагаемый ранее корреляционный метод

2. Показано, что двухполосный метод измерения полного электронного содержания (total electron content, TEC) можно применять при наличии доплеровского сдвига без каких-либо модификаций.

3. Разработана методика выбора оптимального значения относительной полосы частот фильтров в двухполосном методе.

4. Получены оценки выигрыша в отношении сигнал-помеха при использовании сигнала в виде короткого импульса в задаче наблюдения объекта на фоне случайно-неоднородной поверхности.

5. Получены оценки снижения контраста радиолокационного изображения из-за влияния неоднородной ионосферы и тропосферы.

6. Разработаны упрощенные модели для решения радиолокационных задач с использованием широкополосных сигналов при наличии отражения от подстилающей поверхности или авроральных помех.

Достоверность

Достоверность результатов диссертации подтверждается использованием апробированного математического аппарата. Работа базируется на классических результатах теории радиолокации, распространения радиоволн, математического моделирования. Полученные результаты моделирования согласуются с теоретически ожидаемыми.

Практическая значимость работы

Результаты диссертации могут использоваться при разработке перспективных широкополосных и сверхширокополосных РЛС, предназначенных для работы в сложных радиофизических условиях. Проведенный анализ двухполосного метода подтверждает его применимость в практических радиолокационных задачах. Оптимизация ширины полосы фильтров в двухполосном методе позволяет значительно улучшить точность определения TEC.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

1. Относительная ошибка определения TEC двухполосным методом, вызываемая доплеровским сдвигом, составляет порядка v/c, что пренебрежимо мало для практически всех реально наблюдаемых объектов.

2. Предложенный метод «центров масс» улучшает стабильность двухполосного метода при наблюдении за сложным объектом.

3. Оптимальное значение относительной полосы фильтров в двухполосном методе равно 0.6 в узкополосном пределе и уменьшается с ростом полосы используемого сигнала.

4. На частоте 1500 МГц ионосферные неоднородности могут снижать контраст радиолокационного изображения на 20-30%,

что сопоставимо с влиянием тропосферной турбулентности (1015%).

5. Использование сверхширокополосных сигналов в виде короткого немодулированного импульса при наблюдении объекта на фоне подстилающей поверхности улучшает отношение сигнал-помеха на 1-3 дБ по сравнению с ЛЧМ сигналом с такой же полосой.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались на десяти конференциях, в том числе на международных конференциях En&T-2016 и En&T-2018 под эгидой IEEE, на международной конференции «Радиолокация, навигация, связь» в Воронеже, а также на всероссийских конференциях «РТИ Системы ВКО» и «Минцевские чтения».

Публикации

Основные результаты, посвященные моделированию двухполосного метода компенсации дисперсионных искажений широкополосных сигналов, опубликованы в журнале «Динамические системы», индексируемом Scopus. Результаты по использованию двухполосного метода при наличии существенного доплеровского сдвига опубликованы в сборнике материалов конференции En&T-2016, также индексируемых в Scopus. В сборнике материалов конференции En&T-2018 опубликована статья, посвященная оптимизации параметров двухполосного метода. Другие результаты опубликованы в журналах и сборниках конференций, не входящих в список ВАК.

Внедрение результатов работы

Результаты работы вошли в состав ОКР «Сайга» и НИР «Компенсация».

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 71 наименования. Содержание работы представлено на 127 страницах и содержит 51 рисунок.

Глава 1. Особенности использования сверхширокополосных сигналов

в космической радиолокации

1.1 Сверхширокополосные сигналы

Одним из перспективных направлений развития современной радиолокации является переход к использованию широкополосных и сверхширокополосных сигналов. Такие сигналы позволяют разрешать не только близко расположенные объекты, но и отдельные блестящие точки объекта, что означает переход от радиолокации к радиовидению. Кроме того, у сверхширокополосных сигналов существуют и другие преимущества [1,2]:

• Возможность распознавать тип и форму наблюдаемого объекта за счет разрешения его отдельных элементов.

• Уменьшение интерференции на наблюдаемом объекте и, следовательно, зависимости ЭПР от ракурса наблюдения.

• Снижение эффективности радиопоглощающих поверхностей.

• Улучшение скрытности радиолокационной станции или линии связи.

• Увеличение защищенности от узкополосных помех.

• Лучшая электромагнитная совместимость с узкополосными системами, особенно при наличии частотной режекции в СШП системе. Электромагнитная совместимость нескольких СШП систем может обеспечиваться за счет временного разделения сигналов.

• Снижение влияния отражения от подстилающей поверхности и наземных объектов.

• Возможность работы на сверхмалых расстояниях при использовании СШП сигнала в виде последовательности коротких видеоимпульсов

• Импульсные СШП системы могут иметь более простое устройство и низкую стоимость, чем аналогичные узкополосные [3].

• Системы с низкой удельной мощностью на полосу часто можно использовать без лицензирования [4].

Сверхширокополосные сигналы могут использоваться не только в задачах наблюдения за воздушными и космическими объектами, но и для передачи данных на большой скорости с лучшей скрытностью в задачах связи [5], для изучения атмосферы [6], в радиолокации на малых расстояниях, в георадарах [7], в нелинейных радиолокаторах [8], для увеличения точности местоопределения в навигации [1], в медицине для зондирования тела человека [9], в гидролокации [10]. Также многие другие процессы в природе, науке и технике, причем не обязательно только электромагнитного происхождения можно рассматривать как СШП сигналы [11].

Существует ряд сложностей, возникающих при применении сверхширокополосных сигналов:

• Искажения формы импульса в процессе излучения, распространения, отражения и приема, делающие невозможным применение тех же алгоритмов обработки, что и для узкополосных сигналов.

• Необходимо применение новой элементной базы - от генераторов до антенн и АЦП [12].

• Потери энергии при передаче сверхширокополосного видеоимпульса антенной конечного размера [5].

• СШП сигналы при теоретическом рассмотрении затруднительно представлять в комплексном виде - вычисление преобразования Гильберта от неузкополосного сигнала является громоздким [1].

• Пространственная и временная обработка СШП сигнала не разделяются.

В настоящее время теория радиолокации с использованием сверхширокополосных сигналов еще не вполне сформировалась. Так, в литературе встречаются различные определения понятия сверхширокополосного сигнала: как сигнала с относительной полосой, превышающей некоторое значение; короткого видеоимпульса без несущей

или с одним-двумя периодами несущей; сигнала, при использовании которого элемент разрешения много меньше размеров антенны или наблюдаемого объекта. Чаще всего принимают определение Федеральной комиссии по связи США, по решению которой сверхширокополосными являются сигналы с относительной шириной полосы по уровню -10 дБ большей, чем 0.25 или с абсолютной шириной полосы большей, чем 6 ГГц [4]. Согласно ГОСТ Р 51317.1.5-2009 (МЭК 61000-1-5:2004) «Совместимость технических средств электромагнитная. Воздействия электромагнитные большой мощности на системы гражданского назначения» сверхширокополосным является сигнал или форма волны, характеризующиеся значением ширины полосы частот в процентах от 163,4% до 200% от несущей или значением отношения полосы частот более 10. Мы в данной работе не будем углубляться в различение широкополосных и сверхширокополосных сигналов, а будем рассматривать все сигналы, широкополосностью которых в данной задаче нельзя пренебречь.

Существует несколько способов сформировать сигнал со сверхширокой полосой [13]:

• ультракороткие импульсы,

• короткие радиоимпульсы - цуги колебаний,

• хаотические радиоимпульсы,

• сигналы с разделением по частоте(ODFM),

• сигналы с внутриимпульсной модуляцией,

• непрерывные сигналы с линейной или ступенчатой частотной модуляцией [14],

• фрактальные СШП сигналы,

• нелинейные СШП сигналы,

• шумовые сигналы с пространственной рециркуляцией (retrodirective radar systems) [15].

Методы генерации СШП импульсов рассмотрены, например, в [16]. В приложениях, требующих высокой мощности, импульсы обычно генерируют с использованием лавинных диодов, ртутных выключателей или фототиристоров (photoconductive switch). Для маломощных недорогих генераторов сверхкоротких импульсов лучше подходят лавинные транзисторы, туннельные диоды и диоды с резким восстановлением (step recovery diode, SRD). Наиболее перспективным выглядит последний метод, так как лавинные транзисторы требуют достаточно высокого напряжения для работы и могут обеспечить лишь ограниченную частоту повторения импульсов (не более единиц кГц); а туннельные диоды обладают низким выходным напряжением (0.25-1 В) и неприменимы.

В [17] описаны оптические методы генерации сверхкоротких импульсов. Особенно удобно их применять, если предполагается передача СШП сигнала по оптоволокну. Существует и ряд других преимуществ -небольшой вес и габариты, широкий диапазон для настройки и отсутствие проблем с электромагнитной совместимостью. Приведенные в [17] способы можно разделить на три категории:

1. Основанные на преобразовании фазовой модуляции в амплитудную.

2. С использованием фотонного СВЧ фильтра с линией задержки.

3. Основанные на преобразовании (shaping) оптического спектра и на вызванном дисперсией частотно-временном преобразовании.

Методы первой категории отличаются простотой реализации -достаточно всего одного лазерного диода. Третья категория методов предоставляет больше возможностей для генерации импульсов произвольной заданной формы.

Существует ряд методов обработки сверхширокополосных сигналов с учетом их особенностей. Наиболее распространенным в литературе является стробоскопический метод обработки сверхкоротких импульсов. Такой метод,

однако, сопряжен со значительными энергетическими и временными потерями. Кроме того, данный метод требует, чтобы все принимаемые импульсы в пачке имели одинаковую форму. В работе [18] предложен применимый для сверхширокополосных сигналов алгоритм, позволяющий обнаруживать отклики произвольной формы при известной частоте повторения импульсов. В [12] исследована возможность применения согласованной фильтрации для обработки сверхширокополосных сигналов. Оптимальным будет фильтр, согласованный с принимаемым сигналом, но его реализация требует большого числа каналов для разных видов наблюдаемых объектов. Фильтр, согласованный с излучаемым сигналом, также показывает хорошие характеристики при выделении сигнала на фоне шумов. Следует отметить, что при создании согласованного фильтра для сверхширокополосного сигнала не всегда можно считать шум белым. В [1] подробно рассмотрен вопрос оптимального обнаружения сверхширокополосного сигнала известной формы на фоне белого шума и узкополосных помех. Также исследован вопрос целесообразности использования режекторного фильтра для снижения влияния помехи.

В литературе появляется множество публикаций, посвященных проблемам и возможностям передачи, приема и обработки СШП сигналов. Так, рассматриваются вопросы распространения СШП радиоимпульсов вдоль поверхности Земли [19], построения сенсорных сетей на СШП сигналах [3], создания компактного и экономичного СШП локатора для сканирования поверхности Марса [14], создания специализированных антенн [20-22], применения алгоритмов сверхразрешения к СШП сигналам [23].

Одной из основных проблем при обработке сверхширокополосных сигналов является их искажение при распространении в тропосфере и ионосфере. В [6] показано, что в диапазоне длин волн 0,6 мм - 5 см сверхширокополосный сигнал искажается из-за резонансного поглощения части гармоник, что позволяет использовать сигналы данного диапазона для

зондирования атмосферы, но усложняет решение других радиофизических задач. В той же работе приведено, что для сверхширокополосного сигнала дисперсия даже в тропосфере оказывает заметное влияние на характеристики сигнала. В задачах космической радиолокации, космической связи и подобных намного более сильным будет влияние ионосферной дисперсии.

1.2 Ионосфера

Ионосфера представляет собой область земной атмосферы в промежутке высот от 50 до 1000 км, которая характеризуется наличием ионизации газа. Ионный состав ионосферы приведен на рис. 1. Отметим, что данные относятся к периоду солнечного минимума [24].

Рис. 1. Ионный состав ионосферы по данным измерений 1963-1964

годов.

С точки зрения распространения радиоволн особенностью ионосферы является наличие свободных электронов, которые могут взаимодействовать с распространяющейся волной.

1.3 Природа ионосферы

В задачах распространения радиоволн ионосферу можно считать холодной анизотропной (из-за влияния магнитного поля Земли) плазмой [25]. Для волн короче 10 м справедливо высокочастотное приближение, в котором учитывается только вклад электронов и пренебрегается вкладом ионов [26]. Наиболее важным эффектом, связанным с магнитоактивностью ионосферы, является фарадеевское вращение поляризации радиоволн. Если же не рассматривать поляризационные эффекты, то ионосферу можно считать изотропной в электродинамическом смысле (хотя ее структура может быть и анизотропной), и ее тензор диэлектрической проницаемости обращается в скаляр:

АжЫе2

е = 1--* , (1.1)

та (1 + ¡Б)

где N - электронная концентрация, е и т - заряд и масса электрона, с -циклическая частота сигнала, б = Уэф / со - плазменный параметр,

определяемый эффективной частотой соударений электронов Уэф. В слоях

ионосферы с максимальной электронной концентрацией яП Ш^-КГ4, так что соударениями обычно пренебрегают. Подставив значения входящих в формулу констант, получим:

е-1 = 8,06-107N, (1.2)

N 12

где электронная концентрация измеряется в см-3, f - частота, измеряемая в герцах.

Для практического расчета прохождения радиоволн через ионосферу, как показали в 1946-1947 годах Гинзбург и Альперт, почти до самого места отражения волны можно применять метод геометрической оптики. Он является наиболее простым и наглядным методом решения задачи расчета распространения радиоволн в неоднородной среде. Дифракционные

эффекты, возникающие, например, при излучении и отражении радиоволн, можно описать при помощи метода Гюйгенса-Кирхгофа, обобщенного на неоднородные среды [27]; а влияние малых неоднородностей - при помощи теории однократного рассеяния. Теория распространения радиоволн в ионосфере изложена, например, в [25]. Основные результаты приведены в следующем параграфе.

1.4 Влияние ионосферы на распространяющиеся через нее радиоволны

Можно выделить ряд эффектов, вызываемых ионосферой и влияющих на распространение радиоволн. Первым эффектом является отражение радиоволн сравнительно низкой частоты (до 30 МГц) от ионосферы. Объясняется он тем, что диэлектрическая проницаемость ионосферы по формуле (1.1) становится отрицательной. Отражение от ионосферы используют для дальней радиосвязи и загоризонтной радиолокации. Кроме того, на этом эффекте основана работа ионозондов - наиболее распространенного устройства для изучения ионосферы. В задачах, где требуется прохождение сигнала через ионосферу, а не отражение, пользуются сигналами более высокой частоты. Мешающее отражение сигналов высокой частоты от ионосферы может возникнуть только при искусственно созданной аномально высокой электронной концентрации [28].

Наиболее важным эффектом, влияющим на проходящие через ионосферу радиоволны, является зависящий от частоты фазовый сдвиг. Его следствиями являются: групповое запаздывание (приводящее к ошибкам измерения дальности), дисперсионные искажения сигнала, сдвиг частоты, рефракция. Постоянная фаза, как правило, в любом случае считается неизвестной, так что постоянную составляющую фазового сдвига можно не принимать во внимание. Групповое запаздывание вносит ошибку измерения дальности, что особенно важно для навигационных систем и спутниковых высотомеров, которые используют сравнительно узкополосные сигналы. Наиболее существенным из перечисленных эффектов является дисперсия,

особенно при использовании широкополосных сигналов или при низком отношении сигнал-шум. Дисперсионные искажения сверхширокополосного сигнала могут сделать выделение сигнала на фоне помех вовсе невозможным [29,30]. В дальнейшем мы сосредоточимся именно на дисперсионных искажениях сигналов, проходящих через ионосферу.

Проблема фазовых ионосферных искажений не является уникальной для сверхширокополосной радиолокации. Она также является важной в задачах глобальной навигации, а также при использовании сигналов с низкой несущей частотой в радиолокации и связи. Ее актуальность только увеличивается, так как в навигационных системах переходят к более широкополосным сигналам. Так, ширина полосы сигнала E5 системы Galileo более чем в 25 раз превышает полосу C/A сигнала системы GPS [31]. В этом случае уже будет наблюдаться значительное дисперсионное расплывание импульса.

К регулярным ионосферным эффектам, которые не сводятся к фазовому сдвигу, относятся затухание и поляризационные эффекты. Затухание связано главным образом со столкновением электронов с нейтральными атомами и ионами [26]. Как показано в [25], для сигналов с частотой выше 300 МГц затуханием можно пренебречь.

Выделяют два основных эффекта, влияющих на поляризацию сигнала, распространяющегося через ионосферу: эффект Фарадея и эффект Коттона-Мутона. Эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации волны и наблюдается при так называемом квазипродольном распространении, то есть при малых углах между направлением распространения волны и магнитным полем. На высоких частотах (более 300 МГц) условие квазипродольности выполняется в весьма широких пределах (до 89°). В [25] посчитано, что вращение плоскости поляризации на частоте 300 МГц может достигать 13 радиан. Эффект Коттона-Муттона наблюдается при квазипоперечном распространении и приводит к

превращению линейно поляризованной волны в эллиптически поляризованную. На высоких частотах деполяризация не является существенной (не более чем 0.03 на частоте 300 МГц).

Наряду с регулярными ионосферными эффектами существуют также случайные эффекты, связанные с наличием в ионосфере неоднородностей. Ионосферные неоднородности можно условно разделить на крупномасштабные и мелкомасштабные. Влияние крупномасштабных неоднородностей в каждый момент времени сходно с влиянием регулярной составляющей ионосферы. Локальные характеристики неоднородной ионосферы, однако, быстро меняются в пространстве и времени, что усложняет их компенсацию, а также вносит дополнительные ошибки при когерентном накоплении или синтезировании апертуры.

Мелкомасштабные неоднородности слабо влияют на распространяющиеся через них радиоволны, однако на них может наблюдаться достаточно сильное рассеяние, которое можно принять за отражение от некоторого космического объекта. Особенно часто такие неоднородности встречаются в полярном и экваториальном регионах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Строев Алексей Константинович, 2019 год

Список литературы

1. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. М.: "Радиотехника," 2017. Vol. 12, № 1. 145 p.

2. Иммореев И.Я. Сверхширокополосная локация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации // Электромагнитные волны и электронные системы. 1997. Vol. 2, № 1. P. 81-88.

3. Gezici S. et al. Localization via ultra-wideband radios: a look at positioning aspects for future sensor networks // IEEE Signal Process. Mag. 2005. Vol. 22, № 4. P. 70-84.

4. FCC. "Revision of Part 15 of the Commission's Rules Regarding UltraWideband Transmission Systems," First Report and Order. 2002.

5. Шостко И.С., Алмакадма Т., Соседка Ю.Э. Анализ моделей сверхширокополосных сигналов для инфокоммуникационных сетей // Проблеми телекомушкацш. Харювський нащональний ушверситет радюелектрошки, 2012. № 4. P. 45-62.

6. Вечерук Г.В., Кондранин Т.В., Журавлев А.В. Исследование взаимодействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов с вертикально стратифицированной атмосферой // Электронный журнал «Исследовано в России». 2002.

7. Авдоченко Б.И. et al. Восстановление диэлектрической проницаемости слоистой среды по частотной зависимости коэффициента отражения методом минимизации регуляризирующего функционала // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего ..., 2007. № 1 (15).

8. Иванов М.М., Железняк В.К., Чертков В.М. Способ повышения чувствительности нелинейного радиолокатора // Her. POLOTSK STATE Univ. Ser. C, Fundam. Sci. Полоцкий государственный университет, 2016.

9. Thiel F. et al. Combining magnetic resonance imaging and ultrawideband radar: A new concept for multimodal biomedical imaging // Rev. Sci. Instrum. AIP, 2009. Vol. 80, № 1. P. 14302.

10. Демидов А.И. et al. О перспективах использования в гидролокации сверхширокополосных зондирующих сигналов // Известия Южного федерального университета. Технические науки. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего ..., 2013. № 9 (146).

11. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. 2. Методы анализа и применение. Радiоастрономiчний шститут НАН Украши, 2008.

12. Чернышев С.Л. Применение согласованной фильтрации для обработки сверхширокополосных сигналов // Наука и образование научное издание МГТУ им. НЭ Баумана. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 2013. № 10.

13. Дмитриев А.С. et al. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети // Радиотехника и электроника. Федеральное государственное унитарное предприятие Академический научно ., 2008. Vol. 53, № 10. P. 1278-1289.

14. Oyan M.J. et al. Ultrawideband Gated Step Frequency Ground-Penetrating Radar. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2012. Vol. 50, № 1. P. 212-220.

15. Калинин В.И. Спектральная интерферометрия широкополосными шумовыми сигналами // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. Общероссийская общественная

организация «Российская академия естественных наук», 2011. Vol. 3, № 2.

16. Yeap Y.W. Ultra wideband signal generation // Microw. J. Horizon House Publications, Inc., 2005. Vol. 48, № 9. P. 172.

17. Yao J., Zeng F., Wang Q. Photonic Generation of Ultrawideband Signals // Lightwave Technology, Journal of. 2007. Vol. 25. 3219-3235 p.

18. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 1998. Vol. 4. P. 25-56.

19. LaComb J.A., Mileski P.M., Ingram R.F. Ultra wideband surface wave communication // Prog. Electromagn. Res. EMW Publishing, 2009. Vol. 8. P. 95-105.

20. Qing X., Chen Z.N., Chia M.Y.W. Dual elliptically tapered antipodal slot antenna loaded by curved terminations for ultrawideband applications // Radio Sci. Wiley Online Library, 2006. Vol. 41, № 6.

21. Bath A. et al. Study of Different Techniques to Design Ultra Wideband Antenna.

22. Yang T., Davis W.A., Stutzman W.L. Fundamental-limit perspectives on ultrawideband antennas // Radio Sci. Wiley Online Library, 2009. Vol. 44, № 1.

23. Cuomo K.M., Pion J.E., Mayhan J.T. Ultrawide-band coherent processing // IEEE Trans. Antennas Propag. IEEE, 1999. Vol. 47, № 6. P. 1094-1107.

24. Johnson C.Y. Ionospheric composition and density from 90 to 1200 kilometers at solar minimum // J. Geophys. Res. Wiley Online Library, 1966. Vol. 71, № 1. P. 330-332.

25. Кравцов Ю.А., Фейзулин З.И., Виноградов А.Г. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли. Радио и связь, 1983.

26. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитныкх воин в плазме. Наука; Глав. ред. Физико-математической лит-ры, 1967.

27. Кравцов Ю.А., Фейзулин З.И. Некоторые следствия из принципа Гюйгенса-Кирхгофа для плавнонеоднородных сред // Изв. вузов. Радиофизика. 1969.

28. Cohen R., Whitehead J.D. Radio-reflectivity detection of artificial modification of the ionospheric F layer // J. Geophys. Res. Wiley Online Library, 1970. Vol. 75, № 31. P. 6439-6445.

29. Виноградов А.Г., Лучин А.А., Теохаров А.Н. Обработка сверхширокополосных сигналов и формирования радиолокационных изображений в РЛС дальнего обнаружения L-диапазона // Наукоемкие технологии. Закрытое акционерное общество Издательство Радиотехника, 2013. Vol. 14, № 9. P. 32-36.

30. Касперович М.М., Кондратёнок В.А. Влияния концентрации электронов в ионосфере на сверхширокополосные сигналы. 2014.

31. Gao G.X. et al. Ionosphere effects for wideband GNSS signals // Proceedings of the 63rd Annual Meeting of The Institute of Navigation, Cambridge. 2007. P. 147-155.

32. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. 2007. Vol. 177, № 11. P. 1145-1177.

33. Bailey G.J., Balan N., Su Y.Z. The Sheffield University plasmasphere ionosphere model—A review // J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys. Elsevier, 1997. Vol. 59, № 13. P. 1541-1552.

34. Гинзбург В.Л. К теории Люксембург-Горьковского эффекта // Изв. АН СССР. Сер. Физическая. 1948. Vol. 12, № 3. P. 293.

35. Ilyushin Y.A. Influence of anisotropic fluctuations of the ionosphere plasma density on deep radio sounding by a ultra wide band radar with synthesized

aperture // Cosm. Res. Springer, 2010. Vol. 48, № 2. P. 157-164.

36. Alberti G. et al. SHARAD radar signal processing technique // Advanced Ground Penetrating Radar, 2007 4th International Workshop on. IEEE, 2007. P. 261-264.

37. Liu J.Y. et al. Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements // Annales Geophysicae. 2004. Vol. 22, № 5. P. 1585-1593.

38. Pulinets S.A. et al. Main phenomenological features of ionospheric precursors of strong earthquakes // J. Atmos. solar-terrestrial Phys. Elsevier, 2003. Vol. 65, № 16-18. P. 1337-1347.

39. Романов А.А., Трусов С.В., Крючков В.Г. Исследование ионосферных неоднородностей методом фазоразностной томографии в дальневосточном регионе России // Исследование Земли из космоса. Федеральное государственное унитарное предприятие Академический научно 2008. № 2. P. 14-20.

40. Касперович М.М. et al. Коррекция искажений, возникающих при прохождении сверхширокополосных сигналов через ионосферу. 2015.

41. American National Standards Institute. Guide to Reference and Standard Ionosphere Models. 1999.

42. Huba J.D., Joyce G., Fedder J.A. Sami2 is Another Model of the Ionosphere (SAMI2): A new low-latitude ionosphere model // J. Geophys. Res. Sp. Phys. Wiley Online Library, 2000. Vol. 105, № A10. P. 23035-23053.

43. Ovodenko V.B. et al. Investigating range error compensation in UHF radar through IRI-2007 real-time updating: Preliminary results // Adv. Sp. Res. Elsevier, 2015. Vol. 56, № 5. P. 900-906.

44. Imel D.A. Evaluation of the TOPEX/POSEIDON dual-frequency ionosphere correction // J. Geophys. Res. Ocean. Wiley Online Library, 1994. Vol. 99,

№ C12. P. 24895-24906.

45. Zhai W.S., Zhang Y.H. Simulation and correction of ionospheric effects on P-band spaceborne SAR imaging // J. Test Meas. Technol. 2008. Vol. 5. P. 15.

46. Логовский А.С., Дмитриевская А.В. Особенности автоматической обработки радиолокационной информации с целью компенсации негативного влияния ионосферы на работу РЛС дальнего обнаружения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. Общество с ограниченной ответственностью Издательский дом Медиа паблишер, 2016. Vol. 8, № 1.

47. Gordon W.E. Incoherent scattering of radio waves by free electrons with applications to space exploration by radar // Proc. IRE. IEEE, 1958. Vol. 46, № 11. P. 1824-1829.

48. Freeman A., Saatchi S.S. On the detection of Faraday rotation in linearly polarized L-band SAR backscatter signatures // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. IEEE, 2004. Vol. 42, № 8. P. 1607-1616.

49. Аджемов С. С. et al. Прямая оценка полного электронного содержания ионосферы (TEC) путем специальной обработки широкополосного радиолокационного сигнала // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2015. Vol. 6, № 4. P. 167-169.

50. Stroev A. Effect of Doppler Shift on Accuracy of the Two-Band Method of TEC Estimation in Wideband Radars // Engineering and Telecommunication (EnT), 2016 International Conference on. IEEE, 2016. P. 134-136.

51. Строев А.К. Определение разности задержек сигнала на различных частотах для оценки полного электронного содержания ионосферы при наблюдении за сложным объектом. // 59-я научная конференция МФТИ. Москва, 2016.

52. Brcic R. et al. Estimation and compensation of ionospheric delay for SAR

interferometry // Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2010 IEEE International. IEEE, 2010. P. 2908-2911.

53. Lijia H. et al. Ionosphere estimation and correction for geosynchronous SAR based on point target deviation between range sub-images // Signal Processing (ICSP), 2016 IEEE 13th International Conference on. IEEE, 2016. P. 1886-1889.

54. Crane R.K. Spectra of ionospheric scintillation // J. Geophys. Res. Wiley Online Library, 1976. Vol. 81, № 13. P. 2041-2050.

55. Теоретические основы радиолокации. Ширман, Як. Москва: Советское радио, 1970. 560 p.

56. Сколник М., Трофимов К.Н. Справочник по радиолокации: В 4-х т. Сов. радио, 1976.

57. Mitchell C.N. et al. GPS TEC and scintillation measurements from the polar ionosphere during the October 2003 storm // Geophys. Res. Lett. Wiley Online Library, 2005. Vol. 32, № 12.

58. Строев А.К. Когерентное накопление сигнала и обнаружение радиолокационных объектов в условиях влияния неоднородной ионосферы // Минцевские чтения. 2015. P. 123-135.

59. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Часть II. Случайные поля // М.: Наука. 1978. 484 p.

60. Зубарев А.Н., Лучин А.А., Строев А.К. Синтез многомерных изображений в многопозиционной системе РЛС на основе обобщенного решения обратной задачи дифракции в приближении физической оптики // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего ., 2013. Vol. 26, № 8-1 (151).

61. Автушенко А.Ф. et al. Мощные надгоризонтные РЛС дальнего обнаружения: разработка, испытания, функционирование. Закрытое акционерное общество Издательство Радиотехника, 2013.

62. Лучин А.А., Строев А.К., Жуков А.О. Формирование трехмерных изображений в двухпозиционной системе активно-пассивных РЛС с использованием обратного синтеза апертуры и томографирования // Наукоемкие технологии. Закрытое акционерное общество Издательство Радиотехника, 2013. Vol. 14, № 9. P. 73-75.

63. Perry R.P., Dipietro R.C., Fante R.L. SAR imaging of moving targets // IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst. IEEE, 1999. Vol. 35, № 1. P. 188-200.

64. Martorella M., Berizzi F., Haywood B. Contrast maximisation based technique for 2-D ISAR autofocusing // IEE Proceedings-Radar, Sonar Navig. IET, 2005. Vol. 152, № 4. P. 253-262.

65. Farley Jr D.T. A plasma instability resulting in field-aligned irregularities in the ionosphere // J. Geophys. Res. Wiley Online Library, 1963. Vol. 68, № 22. P. 6083-6097.

66. Booker H.G. A theory of scattering by nonisotropic irregularities with application to radar reflections from the aurora // J. Atmos. Terr. Phys. Elsevier, 1956. Vol. 8, № 4-5. P. 204-221.

67. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. Советское радио, 1971.

68. Taylor J. Ultrawideband Radar. 2012.

69. Жиганов С.Н. Модель отраженного от подстилающей поверхности сигнала // Проектирование и технология электронных средств. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего ..., 2011. № 1. P. 52-54.

70. Marsaglia G., Bray T.A. A convenient method for generating normal

variables // SIAM Rev. SIAM, 1964. Vol. 6, № 3. P. 260-264.

71. Олюнин Н.Н. Фасеточная модель в задачах рассеяния электромагнитных волн на телах с импедансной поверхностью // Труды Московского физико-технического института. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего ..., 2009. Vol. 1, № 2. P. 84-91.