Режимы работы РСА землеобзора

Поляризационный режим

При работе РСА информация об объекте заключена в функции отражения, которая наблюдается в виде отраженной от объекта электромагнитной волны (ЭМВ) в зоне приемной антенны РСА.

Функция отражения определяется не только свойствами объекта, но и условиями ее формирования, т.е. системой сигналов в процессе облучения объекта. Чем большее число сигналов и их параметров используется в процессе формирования функции отражения и в процессе наблюдения отраженного сигнала (оценки функции отражения), тем более полную информацию об объекте можно получить с помощью РСА.

Отраженная от объекта ЭМВ как переносчик информации содержит большое число параметров, в каждом из которых закодированы свойства объекта. Элементарная составляющая сложной ЭМВ - гармоническая волна - содержит девять параметров: напряженность поля, частоту, начальную фазу, составляющие вектора поляризации и координатные параметры (направление распространения). Зондирующий сигнал РСА формирует сложное электромагнитное поле облучения объекта, что определяет сложный многомерный характер функции отражения.

Основные направления развития РСА связаны с использованием при радиолокационном наблюдении максимального количества параметров ЭМВ. При этом наряду с расширением числа сигналов - несколько частот, большой ансамбль частот модуляции, множество позиций (направлений облучения и приема) - максимально используют информацию каждого элементарного сигнала. Прежде всего это обусловлено необходимостью решения задач распознавания объектов. Привлечение дополнительной информации о поляризационных характеристиках функции отражения значительно повышает эффективность распознавания объекта.

Наиболее полно поляризационные характеристики объекта выявляются при измерении поляризационной матрицы рассеяния (ПМР)

Элементы ПМР представляют собой комплексные безразмерные числа и являются характеристикой функции отражения стабильной цели, так как ПМР определяет амплитуду и фазу отраженной волны для каждой поляризации при заданных параметрах облучающей волны. Комплексный характер элементов ПМР указывает на учет фазовых набегов, обусловленных рассеянием ортогонально поляризованных компонент зондирующего сигнала.

. В этом случае ПМР является

симметричной и имеет шесть информативных параметров.

Связь свойств объекта с поляризационными характеристиками функции отражения носит сложный характер, и теоретический анализ возможен в большинстве случаев только для объектов простых геометрических форм.

Поляризационные характеристики функции отражения чувствительны к таким свойствам объекта как:

геометрическая форма объекта;

ориентация неоднородностей структуры объекта;

наличие анизотропных отражателей;

структура шероховатостей поверхности объекта (СКО высот);

диэлектрическая постоянная материала объекта.

В ряде случаев ПМР сложного объекта может быть представлена как совокупность ПМР отражателей простых типов - сферы, двухгранного уголкового отражателя, спирали - с определенными соотношениями между амплитудами и фазами элементарных отражателей.

Распознавать типы таких элементарных отражателей можно по их

в линейном поляризационном базисе.

имеет равные диагональные элементы и характеризует цели с нечетным числом переотражений.

и

диполя

и мини-

. ПМР диполя и двухгранного уголкового отражателя характеризуются наличием фазового сдвига между ортогональными поляризационными составляющими отраженного сигнала, что свойственно целям с четным числом переотражений.

Элементарный отражатель в виде спирали правого или левого вращения позволяет осуществить преобразование поляризации зондирующего сигнала из линейной в круговую . ПМР для спирали правого

Таким образом, измеряя элементы ПМР в линейном базисе с помощью поляриметрической РЛС, можно различать основные типы элементарных отражателей и более полно использовать информацию о рассеивающих свойствах целей в интересах их обнаружения и распознавания.

ПМР, измеренная в линейном базисе, может быть преобразована в любой другой базис, например в круговой, что дает новые возможности по распознаванию основных типов элементарных отражателей.

Соотношения между значениями элементов ПМР при пересчете из линейного в круговой базис представлены выражениями:

Элементы ПМРосновных элементарных отражателей

базисе представлены в табл. 8.1.

Так, для кругового поляризационного базиса сфера наблюдается только на кроссовой поляризации, двухгранный уголковый отражатель только на основных поляризациях. При отражении от спирали сигнал будет иметь ортогональную поляризацию, причем для спирали правого вращения отраженный сигнал будет иметь поляризацию левого вращения, и наоборот.

Сигналы, отраженные от объектов с различными деполяризующими свойствами, даже если они находятся в одном элементе разрешения, могут быть полностью разделены в системе обработки поляриметрической РЛС при их представлении в различных поляризационных базисах.

Так, формирование изображения по элементам ПМР, измеренной в линейном базисе, позволяет выделить объекты с преобладанием в составе отраженного сигнала поляризационных составляющих на основной или кроссовой поляризации, которые зависят от формы и ориентации объекта в пространстве. Однако изображение, полученное при измерении ПМР в линейном базисе, недостаточно полно отражает механизм деполяризации сигнала элементарными отражателями в составе сложной цели. Более полно этот механизм описывается при представлении ПМР объекта в круговом поляризационном базисе.

В сантиметровом диапазоне волн зависимости поляризационных характеристик от свойств сложных объектов носят статистический характер. Наиболее часто используются оценки дисперсии и корреляционного коэффициента у для различных поляризаций:

которые зависят от диэлектрической постоянной и СКО высот поверхности. Аналогичный коэффициент для круговой поляризации зависит только от шероховатости поверхности. Дисперсия сигнала зависит от ориентации структур объекта. Рассматривается также поляризационная энтропия сигналов.

При наличии интерферометра на различных поляризациях определяют коэффициент интерферометрической когерентности, который зависит от пространственной когерентности сигнала объекта. Поляриметрическая интерферометрия позволяет выявлять вертикальные структуры внутри объема объекта.

Так как спекл-шум РЛИ на разных поляризациях обычно некоррелирован, для его снижения используют некогерентное сложение РЛИ, полученных при разных поляризациях.

С увеличением длины волны РСА (дециметры, метры) поляризационные характеристики становятся более стабильными и предсказуемыми. Они определяются ориентацией объекта, его внутренней структурой и резонансными эффектами отражения.

При наличии банка данных поляризационных матриц объектов оптимальной обработкой при решении задачи обнаружения - распознавания является свертка матрицы принимаемых сигналов с опорной матрицей сигналов обнаруживаемой цели (согласованная обработка).

Поляризационная матрица рассеяния измеряется при реализации полного поляризационного зондирования (ППЗ) пространства. ППЗ включает:

облучение объекта последовательно или одновременно сигналом с двумя видами ортогональных поляризаций (горизонтальная и вертикальная, левое и правое вращение);

полный поляризационный прием (ППП) - одновременный прием двух ортогональных поляризаций.

ПМР можно рассматривать как многомерный сигнал, который при оптимальной обработке существенно расширяет возможности РСА по обнаружению целей. Повышение информативности при использовании матрицы рассеяния достигается за счет:

использования некоординатной информации - многомерных векторных сигналов, соответствующих решаемой задаче;

совместной обработки элементов многомерного сигнала - поляризационной матрицы рассеяния;

учета при обработке априорной информации о рассеивающих свойствах объектов заданных типов;

учета при обработке адаптивно оцениваемых поляризационных параметров мешающих сигналов (определяемых, в свою очередь, пространственными, временными и частотными характеристиками).

- это измерения, которые могут быть получены при ППП при зондировании на первой и второй поляризациях соответственно.

,

.

Сигналы могут быть разнесены по несущей частоте сигнала или по времени (измерители с временным разделением ортогональных компонент сигнала). Одновременное измерение на одной несущей частоте возможно также при ортогональной модуляции сигналов, когда взаимная корреляция стремится к нулю при увеличении базы сигналов.

Для реализации поляризационных методов бортовая РЛС с ППП и ППЗ должна включать дополнительные структурные элементы. Отметим, что в обоих случаях (параллельном и последовательном) имеет место увеличение объема аппаратуры, так как для одновременного приема сигналов на двух поляризациях (ППП) необходима реализация двух параллельных приемных каналов с возможностью измерения относительной фазы.

Метод оперативного измерения ПМР при поляризационном зондировании (ППЗ) обычно выбирается исходя из массогабаритных ограничений. При этом метод одновременного измерения ПМР предполагает полный комплект элементов, которые обеспечивают одновременное излучение двух сигналов на ортогональных поляризациях и прием на четыре канала, что соответствует четырем элементам ПМР. Наличие двух передатчиков и четырех каналов приема избыточно.

. На передатчик (См1 и УМ) поочередно поступают 8,(1)

. На смесителе См 1 с помощью гетеродина (Г) происходит повышение несущей частоты. Усиленные в усилителях мощности (УМ) сигналы через антенные переключатели (АП) последовательно поступают на соответствующие антенны ортогональных поляризаций и излучаются в направлении на цель. Пара последовательно излученных сигналов, ортогональных по временной структуре и по поляризации, формирует сложный составной сигнал, компоненты которого разнесены на один период излучения.

В режиме приема каждой из антенн последовательно принимаются сигналы, так что на выходе первой антенны наблюдаем

а на выходе второй

э обусловленную радиальной скоростью цели. Сигналы с выхода смесителей См 2 и СмЗ поступают на вход двух соответствующих каналов корреляционной обработки одиночных сигналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных смесителя (См), усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и амплитудного линейного детектора (Д).

Схемы и работа приемных каналов идентичны, поэтому рассмотрим работу одного из них. На рис. 8.1 представлен вариант структурной схемы измерителя ПМР с временным разделением. Реализация такого метода обладает следующими достоинствами:

в два раза сокращается комплект аппаратуры на передачу и прием;

упрощается задача электромагнитной совместимости элементов РЛС;

по сравнению с однополярным метод измерения с временным разделением требует минимума дополнительной аппаратуры: введения второго приемного канала, антенного переключателя и антенны ортогональной поляризации.

Заметим, что в общем случае выбор ортогональных по поляризации сигналов не ограничивается только линейными поляризациями, поскольку ортогональность может быть обеспечена и на эллиптических поляризациях, и на круговых.

Стробы по задержке в двух каналах соответствуют измерениям одного столбца поляризационной матрицы рассеяния. Вторая половин ПМР измеряется со смещением на период Т. Таким образом, на выходе двух каналов можно получить сигналы сразу четырех РСА, соответствующих четырем элементам ПМР, что позволяет применять алгоритм обнаружения и распознавания объектов по поляриметрическим характеристикам их функций отражений.