Поля завад та спостереження об’єктів над земною поверхнею у радіотехнічних системах сантиметрових та міліметрових хвиль - Автореферат

Міністерство освіти і науки України НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наукНауковий керівник: Доктор технічних наук, професор Кулємін Генадій Петрович, Інститут радіофізики та електроніки ім. Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Волосюк Валерій Костянтинович, Національний аерокосмічний університет ім. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів (м. Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шарапов Леонід Іванович, Радіоастрономічний інститут НАН України, старший науковий співробітник відділу космічної радіофізики (м. Захист відбудеться 28.10.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.07 Національного аерокосмічного університету ім.До них відносяться виявлення, визначення координат, супровід обєктів, розташованих на земній поверхні або на малих висотах над нею, а також дистанційне зондування земної поверхні з метою визначення геологічної структури і морфологічних властивостей поверхні, для застосування у сільськогосподарських цілях і в низці інших задач. При вирішенні таких задач моделювання роботи радіотехнічної мережі, що враховує вплив реального рельєфу земної поверхні, наявності рослинного покриву і погодних умов на поширення радіохвиль цих діапазонів, без розміщення радіотехнічних систем на позиціях, їхньої привязки і наступних іспитів також є актуальною і складною проблемою. При цьому ефективність таких систем визначається, в основному, завадами, створюваними відбиттями від земної поверхні, що перевищують внутрішні шуми приймача. Крім того, при виявленні маловисотних обєктів необхідно враховувати послаблення сигналів радіотехнічних систем унаслідок багатопроменевого поширення електромагнітного поля над земною поверхнею. Застосування при моделюванні існуючих електродинамічних моделей поширення і зворотного розсіяння електромагнітного поля земною поверхнею досить обмежене або неможливе через дуже строгі допущення на параметри поверхні, яки виявляються істотно відмінними від спостерігаємих для реальних поверхонь.У цілому теоретичні моделі дозволяють описати зворотнє розсіяння лише квазигладкими поверхнями і виявляються неспроможними при розгляді шорсткуватих поверхонь і поверхонь з рослинним покривом. Існуючі на сьогоднішній день теоретичні моделі зворотного розсіяння земною поверхнею дозволяють приблизно описати відбитий сигнал тільки у випадку квазигладких поверхонь і не можуть бути застосовані для поверхонь з рослинним покривом, а статистичні описи відбитого сигналу придатні для роботи у вузьких діапазонах робочих частот. Розглядаються моделі для ґрунтів Oh, Дюбуа, моделі для опису відбиттів від сніжних покривів і поверхонь з рослинністю. Прикладом емпіричного опису питомої ЕПР деяких типів земної поверхні є залежність, отримана для діапазону робочих частот 3...100 ГГЦ і кутів ковзання y ? 30° і придатна для опису ЕПР різних поверхонь, включаючи квазигладкі, шорсткуваті без рослинності і з рослинністю, а також сніг і антропогенні території. Для аналізу великомасштабних нерівностей земної поверхні на ділянках розмірами до 10-20 км і побудови полів завад і карт спостереження обєктів був розроблений комбінований метод відновлення рельєфу земної поверхні з ізоліній.Проведені дослідження показали, що рішення задач моделювання полів завад від земної поверхні вимагає інформації про її характеристики, кути нахилу, умови поширення сигналу. Отриманий в роботі статистичний опис рельєфів земних поверхонь дозволяє оцінити просторові характеристики сигналу завад для різних типів місцевості. Представлення рельєфу за допомогою фрактальних залежностей дозволяє одержати уточнені статистичні моделі земної поверхні і поля завад. У дисертаційній роботі були отримані наступні результати: Проведено порівняльний аналіз моделей завад від земної поверхні для різних діапазонів хвиль. Визначено найбільш належний метод для моделювання просторової структури поля завад від земної поверхні, і розроблена методика моделювання поля завад для ММХ і СМХ.

Основний зміст роботи

Проведені дослідження показали, що рішення задач моделювання полів завад від земної поверхні вимагає інформації про її характеристики, кути нахилу, умови поширення сигналу. Для практичного моделювання найбільш ефективними є емпіричні залежності, засновані на аналізі експериментальних даних. Отриманий в роботі статистичний опис рельєфів земних поверхонь дозволяє оцінити просторові характеристики сигналу завад для різних типів місцевості. Представлення рельєфу за допомогою фрактальних залежностей дозволяє одержати уточнені статистичні моделі земної поверхні і поля завад.

Уточнена модель поля завад від земної поверхні є результатом побудови кусочно-гладкої асоціативної функції на підставі зіставлення експериментальних зображень полів завад і мультиспектральних зображень цієї ж поверхні. Розробка алгоритмів побудови цієї функції проведена на базі принципів функціонування розробленої автором нейроструктури - дерева укрупнення.

Важливою для практичних цілей є побудова карти спостереження маловисотних обєктів з обліком поля завад землі й особливостей багатопроменевого поширення сигналу.

У дисертаційній роботі були отримані наступні результати: Проведено порівняльний аналіз моделей завад від земної поверхні для різних діапазонів хвиль. Визначено найбільш належний метод для моделювання просторової структури поля завад від земної поверхні, і розроблена методика моделювання поля завад для ММХ і СМХ.

Для удосконалювання просторової моделі, було розроблено метод відновлення рельєфу земної поверхні по опорних крапках (ізолініях), що дає прийнятні похибки по висотах і кутах нахилу поверхні.

На основі статистичного аналізу великомасштабних нерівностей і узагальнення результатів досліджень дрібномасштабних нерівностей, проведених раніше, уперше побудована модель рельєфу з використанням фрактальних залежностей і уточнена просторова модель сигналу. Проаналізовано залежності областей затінення і питомої ЕПР від характеристик рельєфу.

Для одержання просторового розподілу рослинного покриву (класифікації по типах відповідно до моделі) з мультиспектральних космічних знімків була розроблена спеціальна нейроструктура - дерево укрупнення, що дозволяє мінімізувати витрати при класифікації.

Розроблено уточнену модель завад від земної поверхні на основі дерева укрупнення, що є асоціативною кусочно-гладкою функцією, побудованою на базі наявних експериментальних даних. Це дозволяє істотно розширити клас розвязуваних методами моделювання задач.

Розроблено методи і методики побудови карт спостереження обєктів, розташованих поблизу земної поверхні, з урахуванням багатопроменевого ослаблення сигналу і діаграми спрямованості антеною системи.

Розроблено методику представлення й узагальнення різних даних для моделювання полів завад, полів багатопроменевого ослаблення та карти спостереження обєктів, розроблені та реалізовані відповідні алгоритми в пакеті програм “RADARMAP”.

1. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Помехи работе РЛС миллиметрового диапазона, создаваемые отражениями от земной поверхности // Прикладная радиоэлектроника. - 2002. - № 1. - C.15-24.

2. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Modeling of radar land clutter map for small grazing angles / Proc. XXVII GA URSI (Maastricht, Netherland, Aug. 2002).

3. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Помехи работе РЛС миллиметрового диапазона, создаваемые отражениями от земной поверхности / 1-й Межд. радиоэлектр. форум “Прикладная радиоэлектроника”. Состояние и перспективы развития”: Тез. докл. - Харьков. - 2002. - C.45-48.

4. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V.. Modeling of radar land clutter map for small grazing angles / Proc. SPIE, (2004, April 12-15). - 2004. - V. 5484. - P.702-706.

5. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Spatial characteristics of soil // Telecommunication and Radio Engineering. - 2003. - V. 59, № 3-4. - P.141-150.

6. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Land clutter map development for millimeter-wave radar / IEEE Radar Conference “Radar03”( May 2003). - Proc. 2003 IEEE. - P.399-404.

7. Kulemin G. P., Goroshko E. A., Tarnavsky E. V. Land Backscattering Model for Millimeter Wave Radar / Конференция TCSET’2004, (Lviv, February 2004). - Proceedings. - P.138-141.

8. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В. Пространственные статистические характеристики почвы // Радиофизика и электроника. - 2003. - Т. 8, № 1. - С.42-47.

9. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Spatial statistical characteristics of land and development of radar clutter maps / Proc. SPIE, (2004, April 12-15). - 2004. - V. 5410A. - P.162-173.

10. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Пространственно-временные характеристики обратного рассеяния от земной поверхности // Успехи современной радиоэлектроники. - 2004. - № 12. - С.60-71.

11. Тарнавський Е. В. Метод дерева укрупнения для распознавания образов// Авиационно-космическая техника и технология. - 1998. - № 7. - C.118-121.

12. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В. Моделирование карты помех от земной поверхности для РЛС ММД при малых углах скольжения // Радіоелектронні і компютерні системи. - № 1. - 2004. - C.5-12.

13. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В. Учет многолучевого распространения миллиметровых радиоволн при построении карт наблюдаемости объектов надземной поверхностью // Радиофизика и электроника. - 2003. - Т. 8, № 3. - С.346-353.

14. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. The radiowave visibility map model development / Int. Radar Symposium IRS 2004 (19-21 May 2004, Warszava, Poland). - Proceedings. - P.281-287.