Измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................4
1. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛН ОТРАЖЕННЫХ ИЛИ ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ ИЗОТРОПНУЮ НЕОДНОРОДНОСТЬ СРЕДЫ...........................................8
1.1. Методы измерения углового положения источника излучения.8
1.2. Синтез алгоритма обработки поляризационной структуры поля волн отраженных или прошедших через изотропную неоднородность среды.......................................................22
1.3. Анализ характеристик алгоритма измерения уг лового
положения источника излучения по поляризационной
>
структуре поля волн отраженны&йлй прошедших через изотропную
неоднородность среды.........Г.Ъ..'Г.............................33
1.4. Экспериментальное измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженных или прошедших через изотропную неоднородность среды...............57
1.5. Выводы.....................................................68
2. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛНЫ ПРОШЕДШЕЙ ИОНОСФЕРНУЮ ПЛАЗМУ...................................69
2.1. Модель сигнала, прошедшего через ионосферу..................69
2.2. Синтез алгоритма обработки поляризационной структуры
поля волны прошедшей ионосферную плазму..........................76
2.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны для различных каналов
ионосферного распространения.....................................79
3
2.4. Экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны
прошедшей ионосферную плазму....................................89
2.5. Статистическая модель сигнала отраженного спорадическим
слоем Е ионосферы..............................................105
2.6. Выводы....................................................127
3. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
НО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛНЫ
ПРОШЕДШЕЙ ОГРАНИЧЕННУЮ МАГНИТОАКТИВНУЮ
ПЛАЗМУ.........................................................128
3.1. Модель сигнала прошедшего 01раниченную
магнитоактивную плазму.........................................128
3.2. Синтез алгоритма оптимальной обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную
магнитоактивную плазму........................................ 137
3.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны для различных режимов ограниченной магнитоактивной плазмы.........................................140
3.4. Экспериментальное измерение углового положения иегочника излучения по поляризационной структуре поля волны
прошедшей ограниченную магнигоактивную плазму..................149
3.5. Выводы....................................................159
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................160
ЛИТЕРАТУРА.......................................................163
ВВЕДЕНИЕ
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 гребуется 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 трансформа-
5
тора 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 магнитоактивной 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 нервом 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 правдопо-
добия. 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 ноля 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 ограни-
чснной 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 ноля 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.
8
1. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГ О ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛН ОТРАЖЕННЫХ ИЛИ ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ ИЗОТРОПНУЮ НЕОДНОРОДНОСТЬ СРЕДЫ
1.1. Методы измерения углового положения источника излучения
Угловое положение источника излучения определяется по положению волнового вектора его поля излучения. В случае распространения волн от источника в однородной и изотропной среде волновой вектор, вектор Пойтинга и нормаль к волновому фронту совпадают между собой. Волновой фронт представляет' собой поверхность равных фаз волнового поля [34,40,42,58,63,78-80].
Для измерения углового положения источника излучения, как правило, определяют положение его эквифазной поверхности [68,95]. Для отыскания эк-вифазной поверхности поля излучения источника применяется регистрация поля в нескольких точках пространства.
Информация об источнике излучения переносится волной, каждую компоненту поля которой будем описывать составляющей в виде узкополосного сигнала
где F(t) - комплексная огибающая сигнала; a)Qy(p - центральная частота и фаза сигнала.
Положение источника излучения О' характеризуется в системе координат
страция сигнала (1.1) осуществляется в различных точках пространства ограниченного характерными размерами Положение точки регистрации А характеризуется радиусом вектором г, а положение источника О' относительно точки регистрации радиусом вектором р.
(1.1)
связанной, с наблюдателем [58] с помощью радиус-вектора R (рис. 1.1). Реги-
9
а
Рис. 1.1. Расположение источника излучения О относительно области наблюдения Ь
ю
В изотропной и однородной среде, согласно методу запаздывающих потенциалов поле от источника узкополосного сигнала (1.1) в точке А равно
ил(<)=~т^))+> о 2>
где г(г) = |Дг)|/с - время запаздывания сигнала; с - скорость распространения колебаний.
Используя систему координат (рис. 1.1) и, полагая, что плоскость 00'Л перпендикулярна X, запишем
)Д?)| = л//?:2 + г2 - 2г/^т в, (1.3)
где Де|д|; г = |г|; О - угол между нормалью Я и вектором Я. Если Я » X, то
(1.3) можно разложить в ряд по малому параметру г/Я и ограничившись двумя первыми малыми членами разложения переписать (1.3) так
1 2
-гьтО + —— соб2 в (1.4)
Будем полагать, что сигнал (1.2) удовлетворяет условию пространствен-
но-временной узкополосности [80,110]
(1-5)
/о Я
где О - ширина полосы частот огибающей сигнала (1.1 );/0 = со0 / 2л:; Я0 - с/ /0. Условие (1.5) означает, что зависимостью г от Я в огибающей сигнала (1.2) можно пренебречь. Кроме этого при условии выполнения X / Я« 1 в знаменателе (1.2) положим |/3(Я) « Я. Тогда (1.2) можно переписать так
ил{1)=(16)
Информация об угловом положении источника излучения, угол О, содержится в фазовом множителе выражения (1.6). Известно, что для регистрации фазы сигнала необходимо два когерентных сигнала. Поэтому выполним дифференцирование (1.6) вдоль некоторой линии антенны
и
г?иА(0
дг
= -1(Оо
дт{г) /'(/)
ехр|/[бУ0 0-г(/_:))+ ?>]}•
дг Я
Модуль (1.7) нормированный на модуль сигнала равен
д,«Л0—'
(1.7)
1
М')|
-(О о
(1.8)
Из (1.8) видно, что напряжение А, мД/) пропорционально производной но координате от временной задержки, которую мы будем также как в [94], называть дифференциальной временной задержкой. Подставим (1.8) в (1.4) и, выполнив дифференцирование, получим
А1(0 = —-"“Со^ О
(1.9)
Если выполняется условие расположения источника О' в дальней зоне [58]
Я>2Ь2/Ло,
(1.10)
то вторым слагаемым в (1.9) можно пренебречь [80] и А] «,$(/) равна
А]Ы^) = — бш#. (1.11)
V
Из (1.11) видно, что Д1*/л(0 однозначно, при = сот{, связана с угловой координатой источника излучения. Если волновой фронт в пределах апертуры области наблюдения I можно считать плоским, то точность оценки углового положения 01раничивается тепловыми флуктуациями. Тепловые флуктуации при пространственно-временной обработке сигналов имеют две составляющие: внутренние тепловые шумы регистрирующей аппаратуры и внешние тепловые шумы - шумы антенны [58].
Описание поля тепловых флукту аций осуществляется с помощью модели гауссовского случайного поля с нулевым средним значением и функцией корреляции вида
(1.12)
где Л^0 - пространственно-временная спектральная плотность шумов; <?(•) - <5 -
функция Дирака.
Согласно [80], характеристики потенциальной точности оценки углового положения источника излучения на фоне тепловых флуктуаций следующие: оценка углового положения вт несмещенная, а ее минимальное значение дисперсии определяется соотношением
2
= 2. ’ 0.1Э)
к z L cos 0$
где 0О - истинное значение углового положения источника излучения; z2 - отношение сигнал-шум. Из (1.13) видно, что дисперсия оценки углового положения зависит от отношения A0/L, уменьшается при уменьшении этого отношения. Дополнительные ошибки, которые возникают при оценке углового положения по соотношению (1.11) связаны с несоответствием значения производной А\ил(l) правой части (1.11). Так если условие (1.10) не выполняется, то необходимо учитывать и второе слагаемое в (1.9), что при неизвестной дальности R не позволит определить значение углового положения источника излучения. Задачу можно решить, если найти значение еще одной производной по пространственной координате от (1.9), т. е. выполнить измерение в трех точках области наблюдения L.
д2ЦДЛ = ^(0 = _£^2^ (114)
дг с R
Из (1.14) видно, что вторая производная Д2ил(0 связана с дальностью R
до источника О'.
Решая уравнения (1.9) и (1.14) совместно найдем, что
sin в = — [\^иА (/) - гЬгиА (/)] (1.15)
соoL
Для оценки углового положения по (1.15) уже необходимо измерять две производные Л 1^д(/) и Л2йкоторые, естественно, на фоне тепловых флуктуаций измеряются с ошибками, что приводит к увеличению дисперсии
13
оценки углового положения источника излучения [58]
Найдем точность оценки углового положения источника излучения, воспользовавшись соотношениями из работы [58]
т-1
А(4»/3))=
ввв
_вт
ш
(1.16)
где
%>=22®ос 2 ~гі];вт =22со^с 2\Г0ц-ТвТк\,вт=г2(оос 2|г**-г*|
г» 4 - і £Ш%)* 0%)Л=
«4 0%)2^Гж 4 0%)* «
Г
1%) Л;г™-71 2 і/2^ ' і *1.12
Если воспользоваться разложением (1.4), то из (1.16) получатся результаты близкие к результатам работы [58], однако при более полном учете членов разложения (1.3) получаются иные результаты, чем в работе [58]. Действительно, выполним более полное разложение (1.3)
Xі т 1 Г4 у
\р(г)I * Я - Г8ІП 0 + —СОБ 9--------------- + —— віп 9.
| Л Я 2Л 8*3 2*2
(1.17)
Подставляя (1.17) в (1.16) получим
>Мот1(Ь)=-----------
ъ?1
Я-2Г21} СОБ2
1-
3/. соя 6[)
(1.18)
юле у
Из (1.18) следует, ЧТО С увеличением отношения 1/Я() точность оценки углового положения уменьшается, что вполне естественно из-за измерения дополнительного параметра в соот ношении (1.15).
Если пренебречь кривизной волнового фронта и по-прежнему для оценки углового положения источника пользоваться соотношением (1.11), то ошибка в оценке углового положения может быть значительной. В работе [58] показано,
14
что с ростом отношения Ь (Я0 величина проигрыша в точности оценки углового положения при квазиоптимальном приеме сигналов возрастает.
Несоответствие в (1.9) имеет место и в том случае, когда малоразмерный источник не имеет фазового центра в силу определенного распределения амплитуд и фаз по его апертуре [53,58,68]. При таком несоответствии говорят об угловых шумах цели, которые приводят к смещенным оценкам углового положения источника излучения значительной величины [68].
Реализацию измерения углового положения источника излучения осуществляют с помощью фазового, амплитудно-фазового и амплитудного методов пеленгации [68, 95].
В фазовом методе пеленгации об угловом положении источника излучения судят по разности фаз напряжений в двух, разнесенных в пространстве, приемных антеннах. Блок-схема фазового радиопеленгатора приведена на рис. 1.2 [63].
Среднеквадратичная ошибка ст# оценки углового положения источника
излучения по этому методу равна [63].
-1
(1.19)
Из (1.19) следует, что точность оценки углового положения определяется также отношением Ло /£ [42]. Однако, при увеличении I, при Ло/ Ь < 2 возникает неоднозначность оценки углового положения источника излучения, поэтому увеличение точности оценки за счет увеличения Ь приводит к грубым промахам в оценке. Как правило, это затруднение обходится путем уменьшения сектора углов возможного положения источника излучения, за счет применения устройства с различными отношениями ЛоIЬ, начиная с Ао/ Ь < 2. Кроме этого малые отношения Ло IЬ при фиксированной дальности до источника излучения приводят к нарушению условия (1.10) и снижению точности оценки углового положения исгочника излучения. Для уменьшения этих искажений в фазовый
<70 =
—гДсоз^о
Л
15
Рис. 1.2. Блок-схема фазового радиопеленгатора. УВЧ-1, УВЧ-2 - усилители высокой частоты; СМ-1, СМ-2 - смесители; Г - гетеродин; УПЧ-1, У11Ч-2 -усилители промежуточной частоты; Ф - фазометр.