научная статья по теме КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД, КОТОРЫЙ УСТРАНЯЕТ ВЛИЯНИЕ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ P-ДИАПАЗОНА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД, КОТОРЫЙ УСТРАНЯЕТ ВЛИЯНИЕ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ P-ДИАПАЗОНА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 889-895

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

УДК 537.874.32

КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД, КОТОРЫЙ УСТРАНЯЕТ ВЛИЯНИЕ ИОНОСФЕРЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ P-ДИАПАЗОНА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

© 2015 г. Б. Г. Кутуза, А. В. Мошков, В. Н. Пожидаев

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая 11, стр. 7 E-mail: kuza@cplire.ru Поступила в редакцию 27.03.2015 г.

Для радиолокаторов с синтезированной апертурой P-диапазона разработан метод расчета угла фа-радеевского вращения плоскости поляризации в ионосфере, позволяющий в сочетании с методами обработки радиолокационного сигнала устранить неопределенность в величине этого угла. Метод основан на использовании модели геомагнитного поля, основанной на разложении по сферическим гармоникам. Показано, что использование стандартной дипольной модели может привести к существенным ошибкам вблизи геомагнитных аномалий.

DOI: 10.7868/S0033849415090077

ВВЕДЕНИЕ

Для магнитоактивной ионосферной плазмы наряду с анизотропией характерно явление гиро-тропии: и обыкновенная, и необыкновенная волны имеют в общем случае эллиптическую поляризацию и их свойства зависят от направления распространения относительно направления локального геомагнитного поля В0. Каждая из этих собственных волн среды имеет свой показатель преломления (п1 и п2) и эллиптические поляризации Р = Еу/Ех, где Ех и Еу — поперечные декартовы компоненты электрического поля волны. Любую распространяющуюся в ионосфере электромагнитную (ЭМ) волну можно представить в виде суперпозиции двух таких собственных волн. Любую линейно поляризованную ЭМ волну можно представить в виде суммы двух эллиптически поляризованных волн. Плоскость поляризации такой волны при распространении в гиротропной среде будет вращаться (эффект Фарадея) [1].

В диапазоне СВЧ фарадеевское вращение плоскости поляризации оказывает относительно малое влияние на точность работы бортовых радиометров или радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) [2], а величина угла вращения ^ не превышает нескольких градусов даже на самых длинных трассах распространения измеряемого сигнала. В последние десятилетия стремление максимально эффективно использовать бортовые РСА для оценки физических и биологических параметров подстилающей поверхности обусловило переход в Ь- (частоты/- 1...2 ГГц) и Р- /~ 400...500 МГц)

диапазоны, для которых величины фарадеевского угла могут достигать десятков и сотен градусов соответственно [3]. Для оценки величины П в ходе конкретных измерений разработан ряд алгоритмов, позволяющих получить результат без знания состояния ионосферы и структуры геомагнитного поля в момент измерения (см, например, [4—8]). Однако этим методам присуща неоднозначность определения значений угла П в случае P-диапазона, когда эти значения достаточно велики (см. ниже).

Цель данной работы — создание комбинированного метода оценки величины П, который мог бы устранить указанную неоднозначность.

1. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИНЫ УГЛА П

Обработанные данные РСА имеют следующие особенности:

1) в составе принимаемого сигнала могут быть "паразитные" эхо-компоненты, прошедшие в разных частях ионосферы. Обработка таких данных в составе сигнала РСА может исказить результат;

2) обработка сигналов РСА есть нелинейный процесс;

3) часто необходимо решить обратную задачу — построить карту интегрального числа электронов ПСЭ (полного содержания электронов, в иностранной литературе часто обозначаемого как TEC — total electron content) вдоль трассы по из-

меренным значениям П. Но пространственное распределение ПСЭ наиболее точно отражается в измеренных, а не обработанных данных.

Это не позволяет использовать уже обработанные данные для определения величины П. В таких случаях используют модели измерения матрицы рассеяния, связывающие излученные и принятые компоненты сигнала. Если 8 — искомая матрица рассеяния, а W — измеренная, то в нашем случае имеем

W = Е8Е ,

где матрица Е описывает фарадеевское вращение плоскости поляризации:

Г =

—ЗШО С08Й

(1)

Можно показать [5, 6], что справедлива следующая приближенная оценка:

П = аг^Ж* )/4,

(2)

амплитуды в радарной системе; а — полная радиолокационная фазовая задержка, включая влияние аппаратуры; / — мнимая единица. В антенной координатной системе матрицы Я и Т запишем в виде:

1 81 ^ т = ( 1 5з

8 2 /1)' 18 4 /2 /

(4)

где коэффициенты 81, ..., 84 описывают межканальные паразитные связи, а параметрыД 2 — раз-балансировку (неидентичность) измерительных каналов. Как правило, эти величины, как и дисперсию аддитивных шумов, удается оценить и/или скомпенсировать [8]. Тогда модель измерений (3) можно записать в виде

М' = Е8Е , (5)

где М' — скорректированная по шумам и аппаратным искажениям измеренная матрица рассеяния. Из выражения (5) можно прямо получить оценку угла П [6]:

где и ЖГ1 — компоненты матрицы W, соответствующие излученному сигналу левой поляризации и принятому — правой, или излученному сигналу правой поляризации и принятому — левой.

Аналогичная обработка данных возможна и в случае анализа модели измеренного сигнала при использовании сигналов вертикальной (традиционно обозначают значком " V") и горизонтальной ("й") линейных поляризаций. В этом случае в выражения типа (2) войдут не компоненты с противоположной круговой поляризацией, а недиагональные (кросс-поляризационные) элементы матриц [6—8], т.е. при наличии фарадеевского вращения матрица рассеяния становится несимметричной. Используя этот факт, можем вычислить угол П непосредственно из полных поляриметрических данных, сравнивая недиагональные элементы матрицы рассеяния. При этом для придания модели большей реалистичности в нее следует ввести, кроме неизбежных шумов, факторы, описывающие неидентичность измерительных каналов и их паразитные связи. Конкретная величина этих факторов определяется для каждого устройства в процессе его калибровки. Таким образом, можно сформировать математическую модель определения матрицы рассеяния М в ходе РСА измерений на линейной поляризации. Например, модель можно записать в следующем виде [6, 7]:

М = А ехр(/а)КгР8ЕТ + К, (3)

где 8 — искомая матрица рассеяния; Я и Т — матрицы искажений, вносимых радарной системой на прием и передачу соответственно; N — поляризационная матрица, учитывающая аддитивный шум различной природы; скалярный вещественный множитель А описывает полное изменение

1е(2П) = (м; „ — м'щ)/(м'„ „ + м; ;),

(6)

где МVи, М'ь,, М'кл и м;; — это элементы измеренной РСА матрицы расеяния (5). Если соотношение (6) применять для каждого пикселя данных, то это приведет к заметному разбросу значений П. Поэтому в выражение (6) следует подставлять

усредненные величины ((М\л — М'Ьч)> и ((М'кЛ +

+ М'чч)>, где символы (...) означают операцию такого усреднения. Кроме того, при наличии остаточных ошибок калибровки предпочтительнее перейти к использованию сигналов круговой поляризации и соответствующим матрицам. В этом случае проще всего использовать преобразование вида

W =

и оценку вида (2), в которой, как и в оценке (6), следует использовать усредненные величины. Матрица J имеет простой вид:

' 1 У

чУ 1

Подчеркнем, что оценки (2) и (6) справедливы для хорошо калиброванной установки РСА и изотропных по поляризации поверхностей, для которых недиагональные элементы матрицы рассеяния равны между собой.

Из выражений (2) и (6) видно, что величина П оценивается "по модулю" я/2, т.е. на интервале ±я/4. В диапазоне СВЧ и Ь-диапазоне фарадеевское вращение относительно мало. Однако в Р-диапазоне на длинах волн порядка X ~ 70 см и частотах / ~ 450 МГц величина П может выйти из указанного интервала, особенно в дневных условиях на наклонных трассах. Это приводит к перестановке недиагональных элементов матрицы

J

рассеяния (вертикальная и горизонтальная поляризации меняются местами) [6].

Одно из простейших решений проблемы — калибровка по известным наземным целям, когда подмена поляризаций (если она есть) в матрице рассеяния становится очевидной. Другой способ состоит в отыскании такой плоской слегка шершавой поверхности, для которой, как известно, рассеяние на вертикальной поляризации обычно превышает рассеяние на горизонтальной.

Можно независимо оценить значение используя адекватную условиям измерений эмпирическую модель ионосферы (см. разд. 3).

Если такого рода ошибка в величине ^ зафиксирована, то необходимо добавить (или вычесть) я/2 из ^ и заново определить S из M' в уравнении (5). Заметим, что избавившись от неоднозначности величины ^ в интервале углов ±я/4, мы ничего не можем сказать о такой однозначности в интервале углов ±пя, где п = 1, 2, 3____Заметим только, что

если имеет место выход значения ^ за пределы интервала углов ±я, то полученная матрица рассеяния S' будет связана с "истинной" матрицей S соотношением S' = ехр(±я^, т.е. все элементы матрицы будут измерены правильно с точностью до общего фазового множителя. В большинстве случаев такая точность вполне достаточна, поскольку наибольший интерес представляет анализ относительных величин недиагональных (кросс-поляризационных) элементов S. Численные оценки на основе прямых расчетов показывают, что по крайней мере в ночное время можем гарантировать соблюдение неравенства |П| < я.

2. ПРЯМОЙ МЕТОД РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ УГЛА ^

Для проведения расчетов распространения сигналов РСА в ионосферной плазме необходимо учитывать две основные характерные частоты. Это в первую очередь плазменная частота

¡1 = е2Ме/4п2£0те и гирочастота электронов:

/н = еД/2яте, где е и те — заряд и масса электрона, соответственно; N [см-3] — концентрация электронов плазмы; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума. Значения этих частот определяют величину показателя преломления характеристических волн плазмы и, следовательно, величину угла

Величина N (следовательно, и/р) заметно изменяется с высотой, достигая максимума в слое F ионосферы на высотах 300.400 км. Величина этого максимума зависит от широты, сезона, времени суток и геомагнитной активности. Однако

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком