раздел 2).
3.1. Влияние турбулентности приземного слоя атмосферы на когерентные
свойства радиолокационных сигналов в КВЧ ММД
Флуктуации метеопараметров в приземном слое атмосферы (температура, давление и
др.) приводят к пространственно-временным изменениям коэффициента преломления
и, как следствие, к изменению характеристик распространения электромагнитного
излучения [123]. В наибольшей степени это проявляется в летнее время, когда
интенсивные восходящие потоки испарений от прогревающейся почвы приводят к
амплитудно-фазовым флуктуациям волнового пучка, в связи с чем оптическое
изображение удаленных источников как бы “дышит”. В длинноволновой части
сантиметрового диапазона указанный эффект, как правило достаточно мал, а в КВЧ
ММД опубликованные данные весьма отрывочны и не позволяют сделать обоснованных
выводов относительно влияния турбулентного слоя приземной атмосферы на
эффективность когерентной обработки отраженных сигналов.
К настоящему времени наиболее изучены флуктуации угла прихода сигналов [101,
124, 125], определяющие точностные характеристики пеленгации источника
излучения по угловым координатам. В то же время, случайные изменения набега
фазы на длине трассы распространения воздействуют на систему как
мультипликативная помеха [126, стр. 17], степень влияния которой определяется
ее статистическими характеристиками. В работах [107, 125] показано, что в КВЧ
ММД среднеквадратичное отклонение фазы может достигать 0,2 рад при интервале
корреляции ( -внешний масштаб турбулентности, -средняя скорость ветра). Поэтому
автором было рассмотрено [12, 115, 127, 128] влияние подобных возмущений на
когерентные свойства сигналов в КВЧ ММД и показано, что флуктуации показателя
преломления на трассе распространения приводят к флуктуациям фазы отраженного
сигнала со структурной функцией
(3.1)
где ;
-расстояние до объекта;
-структурная функция флуктуаций показателя преломления;
- интервал времени наблюдения;
-флуктуации коэффициента преломления.
Для характерных значений параметров турбулентности приземного слоя атмосферы
[107, 127] (СКО фазы 0,2 рад, внешний масштаб турбулентности @1ё2 м)
относительная ошибка измерения скорости не превышает единиц процентов даже в
случае медленных скоростей перемещения @1 мЧс-1, что является следствием
усредняющего действия измерителя скорости в виде счетчика периодов доплеровской
частоты. Однако если когерентное зондирование производится с использованием
сложных сигналов с широкой базой, то пренебрегать флуктуациями фазы на трассе
распространения можно не всегда. В работах [12, 128] автором было показано, что
в случае стационарных и нормально распределенных флуктуаций фазы, среднее
значение сигнала на выходе согласованного фильтра (СФ) [126, стр.130 ] равно
(3.2)
Как видно, в области главного лепестка функции неопределенности (ФН)- величина
отклика фильтра уменьшается на величину , что составляет 1ё2 дБ для реально
достижимых значений дисперсии фазы, в то время как в области боковых лепестков
ФН влияние искажений фазы гораздо заметнее. Так как флуктуации фазы достаточно
медленны, то можно пренебречь изменением спектральной плотности в пределах
ширины энергетического спектра и вычислить дисперсию флуктуаций с выхода СФ ,
нормируя ее на мощность сигнала с выхода аналогичного СФ в отсутствие фазовых
искажений
(3.3)
где - коэффициент корреляции флуктуаций фазы.
В области главного лепестка ФН, дисперсия достаточно мала и по порядку величины
пропорциональна ., однако в области дальних боковых лепестков дисперсия может
существенно увеличиться за счет ухудшения отклика СФ. В частности, для ЛЧМ
сигнала с колоколообразной огибающей и гауссовых фазовых флуктуаций выражение
(3.3) вычисляется в явном виде
(3.4)
где - ширина ФН при отсутствии фазовых искажений;
-интервал корреляции флуктуаций фазы.
Как показывают оценки (3.4), влияние фазовых флуктуаций становится заметным уже
на уровне (порядка -30ё -40 дБ), когда время обработки соизмеримо с интервалом
корреляции . Приведенные на рис.3.1 результаты расчета приведенного значения
дисперсии напряжения СФ - (гладкие кривые), показывают, что последняя монотонно
возрастает с временем “эхо” , причем в области основного лепестка ФН (пунктир)
ее величина пренебрежимо мала, а в области боковых лепестков резко возрастает,
нарушая условия для выделения полезных сигналов. Для реально достижимых
значений времени корреляции флуктуаций фазы в КВЧ ММД с [107, 123-125] влиянием
подобных мультипликативных помех можно пренебречь для большинства радиосистем с
когерентной обработкой сигналов, которые используют сложные сигналы
сравнительно небольшой длительности. Однако если длительность обрабатываемого
сигнала значительна (например в системах связи [100, стр. 245], в протяженных
интерферометрах в радиоастрономии), то фазовые флуктуации на трассе
распространения могут значительно ухудшить работу подобных систем.
В то же время, для систем ближней радиолокации в КВЧ ММД практически всегда
можно пренебречь влиянием турбулентности в приземном слое атмосферы на
когерентные свойства излучения РЛС. Нами была произведена экспериментальная
проверка [115, 127, 128] приведенных выводов в 2-х миллиметровом диапазона с
помощью аппаратуры, описанной в предыдущем разделе 2. Для этого выбрана
достаточно ровная трасса протяженностью до 1 км, в начале которой установлен
описанный выше макет измерительной когерентной РЛС, а в конце - доплеровский
имитатор в виде УО, вибрирующего с частотой »80 Гц и амплитудой 50 мкм.
Рис.3.1 - Приведенная дисперсия напряжения согласованного фильтра -гладкие
кривые (1, и 2, кривые 1, 2 и 3 соответ