в.в. анциферов, И.Д. Миценко,

А.А. МАЛЬЦЕВ

локация

сверхвысокого

разрешения

Новосибирск 2005

УДК 621.396.677

В.В. Анциферов, И.Д. Миценко, .А.А. Мальцев. Локация сверхвысокого разрешения. Новосибирск. Наука. 2005.

В книге рассмотрены лазерные и СВЧ-локационные системы сверхвысокого разрешения для обеспечения безопасности движения воздушного и железнодорожного транспорта.

Книга предназначена для студентов технических, особенно транспортных вузов, аспирантов, преподавателей и специалистов, интересующихся проблемами охраны окружающей среды.

Рецензент: Г.Г. Телегин, доктор физ.-мат. наук, профессор ( зав. кафедры физики Чебоксарского Госуниверситета )

© Наука

Предисловие.......................... ….……………………..…………..7

Введение………………………………………………………………..9

1.Основные проблемы высокоинформативной локации … .. 13

1.1.Моделирование методов высокоинформативной локации … 13

1.2.Топологический анализ решений обратных задач рассеяния

в радиолокации………………………………………………… 18

1.3.Определение условий единственности и устойчивости

обратных задач в радиолокации……………………………… 23

2.Нелинейно-волновые явления локации

случайно-неоднородных сред………………………………….. 34

2.1.Эффекты самовоздействия электромагнитного излучения

при многократном рассеянии в дисперсных средах........ 34

2.2.Нелинейные эффекты взаимодействия коротких импульсов

электромагнитного излучения с дисперсными средами

в условиях многократного рассеяния.................................. 39

2.3.Поляризационо-угловая анизотропия рассеяния

волновых импульсов......................................................... 45

2.4.Радиолокация сверхвысокого разрешения........................ 58

2.5.О возможностях реализации дальней высокоинформативной

радиолокации в слоисто-неоднородных средах.............. 67

3.Помехоустойчивость методов высокоинформативной

локации ………...................................................................... 75

3.1.Уравнение для фотонной матрицы плотности

в представлении когерентных состояний................... …..75

3.2.Статистические свойства квазимонохроматического

излучения ..................................................... ………………..78

3.3.Моделирование стохастических переходных процессов

при усилении радиоизлучения ………………………………….88

3.4.Начальная и нелинейная стадии процесса

генерации радиоизлучения ................................................ 92

3.5.Флуктуации времени реализации переходных процессов 95

4. О возможностях лазерно-акустической локации............ 103

4.1.Моделирование процессов резонансного взаимодействия

лазерного излучения со звуком в газах .......................... 103

4.2.Нелинейно-оптические методы диагностики акустических

полей. Параметрические лазерно-акустические резонансы …105

4.3.Акустические эффекты нелинейной спектроскопии

в пространственно-неоднородных условиях ..................... 108

4.4.Поляризационно-угловая анизотропия нелинейных

резонансов двухфотонного рассеяния на акустических

колебаниях в газах .............................................................. 112

4.5.Обратные задачи в лазерно-акустической локации .......... 117

5.Системы локации с частотной модуляцией…………………..119

5.1 Спектр излученного сигнала…………………………………...119

5.2. Спектр отраженного сигнала ………………………………… 122

5.3 Интегральные методы обработки сигнала……………………..126

5.4 Спектральные методы локации…………………………………128

6. Системы локации с шумовой модуляцией…………………...143

6.1 Структура отраженного сигнала……………………………….143

6.2.Отличительные характеристики результирующего

сигнала при шумовой модуляции……………………………..149

6.3. Корреляционная функция результирующего сигнала

при шумовой модуляции ……………………………………...152

7.Системы локации с фазоманипулированными колебаниям 155

7.1.Корреляционная функция закона модуляции…………………161

7.2.Обработка фазоманипулированных сигналов………………...163

8. Импульсные системы ближнего действия………..................166

8.1. Лазерные системы с однопороговой схемой квантования

и с оптимальной процедурой обнаружения и выделение

сигнала на фоне шумов………………………………………….167

8.1.1. Описание процессов на входе оптимального фильтра…….168

8.1.2. Описание процессов на выходе оптимального фильтра…..172

8.1.3.Пример расчета потенциала системы……………………….176

8.1.4. Квазиптимальные методы дальнометрии…………………..179

8.1.5. Лазерный дальномер с цифровым накоплением

сигнала по дистанции………………………………………..180

8.1.6. Программная регулировка усиления и её роль при

квазиоптимальной обработке ………………………………184

8.2. Монолокационные лазерные дальномеры с

однопоpоговой схемой квантования и с квазиоптимальной

процедурой обнаружения и выделения сигнала на

фоне шумов…………….………………………………………188

8.2.1. Обоснование и выбор адаптивного порога квантования…..189

8.2.2. Роль операции стробирования……………………………….193

8.2.3. Рациональная схема построения моноимпульсного

дальномера……………………………………………………199

8.3. Лазерные системы с двух пороговой схемой

квантования………………………………………………………..211

8.3.1. Выбор длительности зондирующего импульса

по критерию сигнал-шум-помеха……………………………212

8.3.2. Особенности обработки сигнала в лазерных импульсных

системах при излучении коротких импульсов……………...216

8.4. Теневой метод селекции объекта в пассивных помехах

в системах ближнего действия………………………………..223

8.5.Метод помехозащиты, использущий загрубление

потенциала……………………….………………………………225

8..6. Выбор второго порога квантования…………………………..227

8.7. Cистемы с малой «мертвой зоной»……………………………232

8.8. Системы с низкой частотой повторения……………………...236

9. Фазовые системы ближней дальнометрии…………………...239

9.1.Энергетический расчет и реализация

потенциальных возможностей в фазовых

системах дальнометрии ………………………………………...239

9.1.1. Энергетический расчет……………………………………… 239

9.1.2. Реализация потенциальных возможностей…………………250

9. 2. Принципы фазовой дальнометрии……………………………251

9.2.1. Гетеродинирование…………………………………………...256

9.2.2 Последовательная высокоточная оценка дистанции до

объекта при многочастотной модуляции излучения………..260

9.2.3 Измерение дальности по фазовому портрету принятого

сигнала………………………………………………………….263

9.3. Принципы помехозащиты фазовых систем ближней

дальнометрии……………………………………………………265

9.4. Двухчастотный метод селекции объектов……………………269

9.4.1. Принцип работы двухчастотного метода измерения

дистанции……………………………………………………...270

9.4..2. Измерение дистанции с введением переброса фазы

опорного сигнала на 180°……………………………………274

9.4.3. Измерение профиля рельефа при двухчастотном

излучении …………………………………………………….282

9.4.4.Измерение рельефа по фазе эталонного тарированного

гетеродина…………………………………………………….283

9.4.5. Измерение рельефа при наличии неоднозначности

фазового отсчета………………………………………………284

10. Фазоимпульсные лазерные системы селекции объектов 285

10.1. Фазоимпульсный лазерный датчик с оценкой временного

положения импульса по фазовым соотношениям в

контурах ударного возбуждения……………………………..286

10.2. Фазоимпульсные датчики с фиксацией дальности по

регистрации запаздывания отраженного импульса через

изменения величины фазы опорного канала………………...297

10.3. Вобуляционный метод измерения дистанции………………305

11. Поляризационный метод локации объекта по дальности с вариацией азимута плоскости поляризации……………………310

11.1.Основные положения………………………………………….310

11.2. Поляризационные методы селекции объекта по

дальности с вариацией азимута плоскости поляризации…314

11.3.Экспериментальные моделирование……………………… 318

12. Высокочастотные методы локации…..…………………… 322

12.1. Измерение скорости движения и пройденного пути……… 322

12.2.. Контроль проскальзывания колес локомотива…………….325

12.3.СВЧ-система измерения скорости проскальзывания……… 330

12.4.Двухканальная система построения доплеровского

измерителя ……………………………………………………338

13.Полуактивные системы локации…………………………… 340

13.1. Основные соотношения………………………………………340

13.2. Устойчивость полуактивных систем……………………….351

14. Апертурный синтез…………………………….........................354

14.1. Основные соотношения………………………………………354

14.2. Пути реализации радиолокационных систем с

апертурным синтезом…………………………………………362

Литература………………………………………………………….369

Предисловие

В данной монографии проделан анализ физических принципов построения технических средств радиолокации и выявлены направления повышения информативности радиолокационных методов обнаружения, распознавания и определения местонахождения объектов в пространстве. Моделирование процесса радиолокационного зондирования состоит в решении обратной задачи рассеяния радиоизлучения на объектах локации. Постановка данной задачи состоит в том, чтобы по характеристикам рассеянного волнового поля определить вид и параметры рассеивателей.

Информация о радиолокационном изображении объектов содержится в принимаемом радиосигнале неявно. Для ее получения необходимо решать задачу восстановления радиолокационных изображений по результатам измерений характеристик принятого сигнала. Отраженный сигнал в дальней зоне является обычно суперпозицией отражений от отдельных точек объекта. При фиксированном ракурсе объекта принимаемый сигнал можно рассматривать как интегральное представление (проекцию) искомого изображения. Задача формирования локационных изображений сводится при этом к их восстановлению по проекциям. Эффективность решения этой задачи резко повышается при использовании резонансных параметрических моделей рассеяния и антенн (модель неустойчивого резонатора, модель резонатора с дополнительным отражателем).

Нелинейно-волновые методы высокоинформативной радиолокации базируются на комплексном использовании современных достижений различных областей физики и математики для решения основных задач радиолокации посредством расчленения и анализа по частям радиолокационных изображений, формируемых рассеянными электромагнитными волнами, при варьировании таких параметров сложных зондирующих сигналов, как частота, фаза, интенсивность, поляризация и направление распространения радиоизлучения. Рассмотренные эффекты нелинейного взаимодействия радиоволн позволяют реализовать резонансные параметрические приемные и излучающие антенны, резко увеличивающие информационное содержание радиолокационных изображений, создавать на базе параметрических антенн прецизионные средства радиолокации сверхвысокого разрешения.

На основе использования геометрических и топологических методов решения обратных задач рассеяния моделируется процесс радиолокационного зондирования, определены условия единственности и устойчивости решения обратных задач рассеяния радиоизлучения. Широкополосность параметрических антенн дает возможность излучать очень короткие импульсы со сложным спектром, что существенно увеличивает объем информации об объекте локации. Дополнительным информационным каналом могут служить рассмотренные эффекты поляризационно-угловой анизотропии рассеяния волновых полей на макрообъектах. Частотно-независимая диаграмма направленности в сочетании с широкополосностью параметрических устройств может быть использована для определения характеристик материала отражающей поверхности и частотной характеристики объекта локации. Возможность измерения частотной характеристики рассеивателей дает новое информационное качество радиолокационным средствам и расширяет область использования параметрических радиолокаторов.

Рассеянные волны, накладываясь на зондирующую волну, вызывают флуктуации амплитуды и фазы результирующего поля. В книге излагаются основные принципы статистической теории рассеяния радиоизлучения в случайно-неоднородных средах. Представлены результаты исследований статистических свойств рассеяния электромагнитных полей на движущихся макрообъектах, возможности нелинейно-волновых методов лазерно-акустической локации и высокоинформативных гидрофизических измерений.

Рассматриваемые в монографии методы и технологии высокоинформативной локации находят применение в системах навигации и освещения обстановки, функционирующих в сложных геофизических и метеоусловиях. Результаты соответствующих исследований используются при совершенствовании существующих и создании новых радиотехнических и радиолокационных, оптоэлектронных, лазерных и гидролокационных систем и средств измерений, систем навигации и наведения, информационно-измерительных комплексов. Они могут успешно применяться в различных отраслях народного хозяйства. Наиболее важным итогом этих исследований является создание основ теории локации сверхразрешения.

Введение

Современные достижения физики нелинейно-волновых процессов и математической физики позволяют формулировать принципиально новые подходы к решению основных задач высокоинформативной радиолокации, базирующиеся на детальном анализе быстро меняющейся интерференционной картины, формируемой рассеянными волновыми полями, при варьировании частоты, фазы, интенсивности, поляризации и направления распространения излучения сложных зондирующих сигналов [1,2]. Для создания средств радиолокации сверхвысокого разрешения, обеспечивающих возможность отображения у объектов локации деталей с размерами, меньшими длины волны излучения, было предложено использовать эффекты параметрического взаимодействия волновых полей [1].

В частности, был описан резонансно-параметрический метод регистрации поверхностных колебаний объекта локации, амплитуды которых гораздо меньше длины волны радиоизлучения. Данный метод аналогичен методу регистрации поверхностных колебаний, реализованному с помощью лазерных полей [3]. Он позволяет осуществить классификацию объектов радиолокации посредством измерений спектра поверхностных вибраций при различных ракурсах локации и восстанавливать детали рассеивателя с радиолокационным разрешением порядка длины волны и менее. При использовании радиоизлучения в дециметровом диапазоне появляется возможность регистрировать вибрации поверхности объектов локации с амплитудами около 0,1¸1 мм.

Более общий вариант параметрических методов высокоинформативной радиолокации связан с использованием обращения волнового фронта [4]. При этом запись и считывание радиолокационной информации в реальном масштабе времени могут производиться на основе применения методов динамической голографии.

Методы радиолокации сверхразрешения могут быть реализованы, в частности, с помощью фазированных антенных решеток или зеркальных параболических антенн [5,6]. Требования к техническим характеристикам радиолокаторов существенно ослабляются при использовании разностных методов регистрации различных параметров волновых полей, позволяющих расчленить сложную картину нелинейно-волнового взаимодействия на отдельные детали и анализировать их структуру. Специфика указанных методов регистрации состоит в измерении разности частот, фаз, амплитуд и поляризаций различных компонент радиоизлучения. Формально эти методы аналогичны разностным методам анализа нелинейных резонансов в лазерной спектроскопии [7,8].

В настоящее время реализация уникальных возможностей современных источников электромагнитных полей, применяемых в системах радиолокации, сдерживается вследствие некомплексного подхода к использованию этих возможностей, обусловленного применением чрезмерно упрощенных моделей рассеяния и отсутствия должного математического обеспечения процессов обработки результатов измерений. В частности, традиционно применяемые в радиолокации модели рассеяния волновых полей и алгоритмы обработки измеренных сигналов не позволяют получать адекватную реальности информацию о дисперсных средах в условиях многократного рассеяния или о средах, содержащих несферические объекты локации. К искажению информации приводит практикуемое также использование моделей рассеяния непрерывного излучения при локации импульсными волновыми полями.

Повышение информативности и дальнодействия локации связано с увеличением отношения сигнал/шум при новых способах обработки информации, основывающихся на использовании достижений топологии, интегральной геометрии, теории нелинейных дифференциальных уравнений и последних достижений теории обратных задач рассеяния [1,2,9-12]. Это дает возможность осуществлять анализ объектов радиолокации (определение размеров, материала и т.п.) достаточно произвольной геометрической формы в условиях многократного рассеяния.

Результаты этих исследований позволяют эффективно решать комплекс следующих задач современной радиолокации:

· разработка новых методов и средств оценки отражательных и излучательных характеристик целей в различных условиях;

· повышение чувствительности и избирательности приемных устройств;

· разработка новых методов пространственно-временной обработки сигналов;

· использование сложных зондирующих сигналов для селекции и распознавания объектов локации;

· создание эффективных способов обработки сигналов при распознавании целей в условиях пространственно-временной изменчивости параметров сигналов и помех;

· разработка методов и средств высокоточных систем радиолокации и наведения.

Узкая диаграмма направленности параметрических излучателей, применение самонаведения излучения методом обращения волнового фронта позволяют повысить эффективность энергопотенциала средств радиолокации, резко увеличить дальность обнаружения и распознавания малозаметных объектов. Пространственное разрешение и, следовательно, чувствительность и избирательность радиолокационных устройств резко возрастают за счет регистрации биений эхо-сигналов. Оценка относительного разрешения по дальности для радиоизлучения с частотой w может составить Dw/w, где Dw характеризует степень гетеродинной привязки частоты, и быть не хуже 10^-¹⁰. Повышение направленности и чувствительности антенных систем может осуществляться также за счет использования эффектов обращения волнового фронта и самонаведения излучения.

Новым информационным каналом служат нелинейные эффекты появления гармоник излучения, а также излучения на комбинационных частотах, поляризационные эффекты при рассеянии радиоизлучения. Резкое увеличение точности и углового разрешения на различных дистанциях, практическое отсутствие боковых лепестков диаграммы направленности излучения сводит к минимуму реверберационные помехи от подстилающей поверхности, позволяет создавать на базе параметрических антенн средства радиолокации сверхразрешения [13-16].

На основе использования геометрических и топологических методов решения обратных задач рассеяния в главе 1 данной книги построена модель радиолокационного зондирования дисперсных сред, содержащих выпуклые и обозримые объекты. Определены условия единственности и устойчивости обратных задач в радиолокации. Результаты исследований нелинейных явлений при радиолокации представлены в главе 2. Показано, что эффективность решения задачи формирования локационных изображений резко повышается при использовании резонансных параметрических моделей рассеяния и антенн. Разработаны основы теории радиолокации сверхвысокого разрешения и технические требования к приемопередающим антеннам, другим компонентам и узлам средств высокоинформативной локации. Дана оценка влияния среды распространения радиосигналов на информативность методов сверхразрешения. Исследованы нелинейные эффекты многократного рассеяния интенсивного электромагнитного излучения в случайно-неоднородных средах.

В главе 3 дан анализ помехоустойчивости методов высокоинформативной радиолокации. Построена теория стохастических явлений, отвечающих переходным процессам в активных антенных элементах при усилении радиоизлучения. Изучена нелинейная статистическая динамика процесса генерации радиоволн. Выявлена роль квантовых флуктуаций сильного квазимонохроматического радиоизлучения в решении проблем высокоинформативной радиолокации. Исследованиям параметрических лазерно-акустических явлений в газе посвящена глава 4. Указаны возможности применения параметрических лазерно-акустических резонансов для диагностики газовых сред и акустических полей. Конкретизированы основные принципы и модели лазерно-акустической локации, методы лазерно-акустического обнаружения, распознавания и определения местонахождения воздушных объектов в пространстве, включая объекты в зоне радиолокационной тени.

В главе 5 рассмотрены основные принципы ближней дальнометрии, использующих частотную модуляцию. Принципы селекции объектов железнодорожного транспорта, использующих шумовую модуляцию излажены в главе 6. Вопросы дальнометрии на базе кодовых фазомонипулированых колебаний ограниченной выборки представлены в главе 7. Импульсные локационные системы, использующие оригинальные методы селекции и обработки сигнала представлены в главе 8. Особенности и высокоточных измерений дальности и рельефа поверхности отображены в главе 9. Фазоимпульсные системы селекции представлены в главе 10. Здесь же рассмотрены системы дальнометрии использующих вобуляции периода следования зондирующих импульсов. В главе 11 впервые рассмотрены поляризационные принципы дальнометрии, контроль проскальзывания колес локомотива,

В главе 12 представлены различные высокоточные методы измерений характерные для железнодорожного транспорта, такие как измерение скорости и пройденного пути, контроль проскальзывания колес локомотива и др. В главе13 изложены принципы построения полуактивных систем обнаружения мешающих подвижному транспорту объектов. В главе 14 показаны бортовые основы систем с синтезированной апертурой, обеспечивающих высокое разрешение и местоположение транспортных средств с космических носителей.