Расширение функциональных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов

На правах рукописи

КОЛЯДОВ Дмитрий Валерьевич РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ВОЗДУШНОМ ТРАНСПОРТЕ, ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОГЕННО-ОПАСНЫХ И ТРУДНОДОСТУПНЫХ РАЙОНОВ Специальность – 05.22.14 “Эксплуатация воздушного транспорта”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва – 2010 г.

2

Работа выполнена на кафедре “Технической эксплуатации радиоэлектрон ных систем воздушного транспорта” Федерального государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования “Московский го сударственный технический университет гражданской авиации” (МГТУ ГА).

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук Козлов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Лауреат Государственной премии СССР и РФ, Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук Лукин Дмитрий Сергеевич доцент, доктор технических наук Маслов Виктор Юрьевич доктор технических наук Кораблев Андрей Юрьевич

Ведущая организация: ОАО “НПО “Радар-ММС””

Защита диссертации состоится “ “ 2010 г. на засе дании диссертационного совета Д 223.011.01 при Московском государствен ном техническом университете гражданской авиации по адресу: ГСП-3, г. Москва, 125993, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан “ ” 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.011.01:

профессор, доктор технических наук Кузнецов С.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время интенсивно развиваются технологии мониторинга, которые позволяют извлекать и использовать не координатную информацию об объектах, расположенных в техногенно опасных и труднодоступных районах. Некоординатная информация пред ставляет собой сведения о типе и свойствах исследуемого объекта, его конфигурации и линейных размерах.

Развитие указанных технологий не в последнюю очередь объясняет ся негативным влиянием человеческой деятельности на экологическую об становку, возможными техногенными авариями и катастрофами и необхо димостью проведения различных геофизических и гидрофизических ис следований.

Основным методом решения задач мониторинга является дистанци онное зондирование, среди которого особое место занимают радиолокаци онные методы, опирающиеся на пространственно-временную обработку сигналов и в частности на методы радиополяриметрии. Здесь следует от метить основополагающие работы советских и российских ученых Акинь шина Н.С., Богородского В.В., Горелика А.Г., Канарейкина Д.Б., Козлова А.И., Кутузы Б.Г. Логвина А.И., Лукина Д.С., Мелитицкого В.А., Острови тянова Р.В., Потехина В.А., Сарычева В.А., Татаринова В.Н., Шупяцкого А.Б., и др., а также зарубежных ученых Boerner W-M., Huynen J.R., Ligthart L.P. и др.

Радиолокационные системы, эксплуатируемые на воздушном транс порте, позволяют решать большой круг различных задач: от управления воздушным движением до различных целей народного хозяйства.

Использование радиолокационных систем, эксплуатируемых на воз душном транспорте, для мониторинга техногенно-опасных и труднодос тупных районов в значительной степени ограничивается возможностями этого оборудования. С другой стороны, потенциальные возможности этих систем превышают круг задач, для решения которого они предназначены.

Таким образом, существует возможность использовать радиолокационные системы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, для решения новых задач, таких как мониторинг различных объектов, в том числе и тех, кото рые расположены в пределах техногенно-опасных и труднодоступных районов. Для этой цели необходимо провести модернизацию оборудования, а также использовать более совершенные алгоритмы анализа отраженных радиолокационных сигналов.

Радиотехнические методы мониторинга объектов, использующиеся в радиолокационных системах, эксплуатируемых на воздушном транспорте, в большей мере основаны на анализе энергетических характеристик элек тромагнитной волны, отраженной от анализируемых объектов. Такие ме тоды в большей степени исчерпали свои возможности. По этой причине использование информации, заложенной в пространственно-временной структуре, в частности в поляризационных свойствах отраженной элек тромагнитной волны, дает дополнительные возможности для улучшения процедуры извлечения информации и позволяет повысить эффективность мониторинга.

Как показывают теоретические разработки и подтверждают экспери ментальные исследования, использование анализа пространственно временной структуры, в частности поляризационных свойств отраженной электромагнитной волны открывает новые возможности для определения различных характеристик объектов мониторинга, получение которых при помощи известных методов крайне затруднено. В этой связи, диссертаци онная работа, содержащая решение научной задачи, имеющей важное зна чение для воздушного транспорта, состоящей в расширении функциональ ных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воз душном транспорте, при их использовании для мониторинга техногенно опасных и труднодоступных районов, является актуальной.

Цели и задачи исследования. Целью работы является теоретическое и экспериментальное доказательство возможности применения радиолокаци онных систем, эксплуатируемых в гражданской авиации, для мониторинга и определения характеристик техногенно-опасных и труднодоступных рай онов и расположенных в них объектов наблюдения и разработка соответст вующих методов реализации этой возможности.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить сле дующие задачи:

1. Провести анализ традиционных методов мониторинга природных сред и техногенных объектов радиолокационными системами.

2. Оценить возможность и целесообразность расширения функцио нальных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, при использовании их для мониторинга природных сред и техногенных объектов.

3. Оценить возможности радиолокационных систем, эксплуатируе мых на воздушном транспорте, для определения геофизических и геомет рических характеристик объектов наблюдения по результатам мониторинга.

4. Обосновать расширение возможностей модернизируемых радио локационных систем воздушного транспорта путем применения простран ственно-временной обработки принимаемых радиолокационных сигналов для определения характеристик объектов наблюдения на фоне природных сред по результатам мониторинга.

5. Оценить потенциальные возможности применения радиолокаци онных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для визуали зации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

- предложен метод визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов;

- разработан метод определения геофизических и геометрических характеристик широкого класса объектов наблюдения на основе простран ственно-временной обработки сигналов, получаемых при мониторинге ра диолокационными системами, эксплуатируемыми в гражданской авиации;

- экспериментально определены статистические характеристики сиг налов, отраженных от широкого класса объектов мониторинга, находя щихся в техногенно-опасных и труднодоступных районах;

- предложен метод улучшения тактико-технических характеристик радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов.

- разработаны математические модели, адекватные объектам наблю дения, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты:

- позволяют использовать радиолокационные системы, эксплуати руемые на воздушном транспорте, для определения геофизических и гео метрических характеристик широкого класса объектов наблюдения при их мониторинге;

- позволяют использовать радиолокационные системы, эксплуати руемые на воздушном транспорте, для оценки геометрических неодно родностей объектов наблюдения, расположенных в техногенно-опасных и труднодоступных районах;

- позволяют увеличивать степень различения техногенных объектов, находящихся на поверхности природных сред, при их мониторинге радио локационными системами, эксплуатируемыми на воздушном транспорте;

- позволяют улучшить тактико-технические характеристики радио локационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте.

На защиту выносятся:

1. Методы определения геофизических и геометрических характери стик широкого класса объектов наблюдения при их мониторинге с помо щью радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транс порте, путем пространственно-временной обработки радиолокационных сигналов.

2. Методы определения геофизических характеристик объектов мо ниторинга при наличии полной и неполной информации о характеристиках отраженных радиолокационных сигналов.

3. Метод визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов радиолокационными системами, находящи мися на эксплуатации в гражданской авиации.

4. Методы различения техногенных объектов, находящихся на фоне природных сред, при их мониторинге радиолокационными системами, эксплуатируемыми на воздушном транспорте, путем пространственно временной обработки радиолокационных сигналов.

5. Методы оценки некоординатной информации о техногенных объ ектах мониторинга путем расширения функциональных возможностей ра диолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте.

Внедрение результатов. Основные результаты работы нашли при менение в разработках предприятий МКБ “Компас”, “Интеррадио” и ЦНИИ “Радиосвязь”, ОАО “НПП “Радар-ММС””, о чем имеются соответ ствующие акты о внедрении.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на LVI научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2004), Международной научно-технической конференции MIKON 2006 (Microwave Week, War sawa, Poland, May 2006), Международной научно-технической конферен ции EuRAD (EuMW) 2006 (European Microwave Week, European Radar, United Kingdom, Manchester, 2006), 2-й Международной конференции “Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации”, (Суздаль, 2007), XX научной конференция МФТИ “Совре менные проблемы фундаментальных и прикладных наук” (Москва, 2007), Международной научно-технической конференции “Современные научно технические проблемы гражданской авиации” (Москва 2002, 2004, 2006, 2008), на научном семинаре Института радиоэлектроники РАН (Москва, 2009), а также на научно-технических семинарах кафедры физико математических проблем МФТИ (Москва 2008), кафедр “Авиационных ра диоэлектронных систем” и “Технической эксплуатации радиотехнического оборудования и связи” МГТУ ГА (Москва 2000-2008).

По материалам диссертации опубликовано 45 работ. Из них статьей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобра зования России для публикации основных научных результатов диссерта ций на соискание ученой степени доктора наук, 30 статей в иных журналах и изданиях, и в виде 4 параграфов объемом 13 стр. в монографии “Поляри зация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигна лов”, т.1 (Москва, “Радиотехника”, 2005), 3 параграфов объемом 37 стр. в монографии “Поляризация радиоволн. Радиолокационная поляриметрия”, т.2 (Москва, “Радиотехника”, 2007), 2 параграфов объемом 33 стр. в моно графии “Поляризация радиоволн. Радиополяримерия сложных по структу ре сигналов”, т.3 (Москва, “Радиотехника”, 2008).

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируе мой литературы (150 наименований). Общий объем диссертации 260 лис тов сквозной нумерации. Диссертация содержит 98 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы Во введении проведено обоснование актуальности темы работы, оп ределена главная цель исследования, рассматриваются известные подходы к решению поставленных задач, определяется научная новизна и практи ческая ценность полученных результатов, выделены основные научные положения, выносимые на защиту и дана общая характеристика работы.

В первой главе диссертационной работы анализируются основные характеристики техногенно-опасных и труднодоступных районов, а также расположенных в них объектов.

Функциональное назначение радиолокационных систем, эксплуати руемых на воздушном транспорте, не предусматривает непосредственного определения информации об объектах мониторинга. Это, в первую оче редь, связано со значительным числом факторов, влияющих на характери стики объектов мониторинга, а во-вторых, с необходимостью учета слу чайного характера геометрических неоднородностей поверхностей объек тов наблюдения и изменения геофизических характеристик объектов мо ниторинга. В то же время, потенциальные возможности радиолокационных систем гражданской авиации оказываются значительно шире, чем это пре дусмотрено их функциональным назначением.

При эксплуатации современных радиолокационных систем на воз душном транспорте ограничиваются получением оценочной информации об объектах наблюдения, как правило, недостаточной для задач детального мониторинга, что особенно сказывается при мониторинге техногенно опасных и труднодоступных районов.

В работе определяются методы расширения функциональных воз можностей радиолокационных систем, опирающиеся на заложенные в них потенциальные возможности, для существенного повышения инфор мативности мониторинга. В основе этого лежит задача установления пря мой функциональной связи между геофизическими и геометрическими характеристиками объектов наблюдения и принимаемых радиолокацион ных сигналов.

Как известно, в качестве основной геофизической характеристики объектов мониторинга выступает комплексная диэлектрическая проницае мость, которая определяется характеристиками объектов наблюдения.

В работе рассматриваются следующие виды природных объектов мониторинга: пресная и соленая вода, пресный и морской лед, сухой и влажный снег, минералы, горные породы, сухая и влажная почва, расти тельные покровы и лесные породы. В работе проводится анализ известных аналитических зависимостей между различными геофизическими характе ристиками таких объектов мониторинга.

В работе решается задача установления прямой связи между ком плексной диэлектрической проницаемостью и отражательными характери стиками объектов мониторинга, под которыми понимаются элементы мат рицы рассеяния, степень поляризационной анизотропии и др.

Для решения задач мониторинга важно знать поляризационные ха рактеристики отраженных от объектов электромагнитных волн. В первую очередь, имеется в виду знание элементов матрицы рассеяния облучаемых площадок на поверхности. При изменении физических свойств таких эле ментов поверхности будет происходить изменение основной электродина мической характеристики поверхности – ее комплексной диэлектрической проницаемости, изменение которой приводит к изменению отражательных характеристик (элементов матрицы рассеяния).

В работе задача определения геофизических характеристик начина ется с рассмотрения случая наблюдения относительно гладкого участка поверхности под углом. Размеры участка определяются шириной диа граммы направленности антенны. Показывается, что в рассматриваемом случае, матрица рассеяния объекта мониторинга может быть представлена в виде произведения двух множителей: первый из них зависит только от ком плексной диэлектрической проницаемости, а второй определяется только геометрией задачи и характеристиками антенны:

R HP 0 1 1 S. (1) R VP 0 1 0 где R H,V P - коэффициенты отражения Френеля на горизонтальной и вер тикальной поляризациях;

- некоторый геометрический множитель.

Множитель в соотношении (1) связан с геометрической кон фигурацией облучаемого участка поверхности, а диагональные элементы матрицы рассеяния представляют собой коэффициенты Френеля.

В работе получено соотношение, непосредственно связывающее ме жду собой коэффициенты отражения Френеля на различных поляризациях:

R cos 2 R HP f VP, (2) R HP 1 R HP cos где комплексная величина f носит название фазора или поляризационно го отношения.

Модуль фазора f представляет собой отношение амплитудам сигна лов, принимаемых в ортогональных каналах, а его аргумент - разность фаз этих сигналов, т.е., что крайне важно, эти величины могут быть определе ны относительными сравнениями сигналов в каналах. Таким образом, ко эффициент Френеля на горизонтальной поляризации может быть опреде лен из соотношения (2), после чего, из него же может быть определен ко эффициент R VP. Это означает, что из относительных измерений может быть однозначно определено значение комплексной диэлектрической про ницаемости. Знание комплексной диэлектрической проницаемости позво ляет определить степень поляризационной анизотропии и разность ар гументов между элементами матрицы рассеяния :

sin при Br, cos sin (3) cos sin при Br, sin R HP sin sin 2 tg, (4) R HP 1 cos 2 cos 1 R HP cos где Br - угол Брюстера;

arg R HP.

В работе проводится обобщение основных моделей широкого класса шероховатых поверхностей и определяется круг поверхностей, для кото рых коэффициент отражения также представляет собой произведение двух сомножителей, один из которых зависит только от шероховатости, а второй определяется электрофизическими характеристиками. Это позво ляет и для таких поверхностей определить комплексную диэлектриче скую проницаемость. Более подробно этот случай рассматривается в гл. диссертации.

Полученные в первой главе результаты служат основой для разработ ки рекомендаций по расширению функциональных возможностей радиоло кационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, путем про ведения специальной пространственно-временной обработки принимаемых ими сигналов.

Во второй главе проанализированы возможности использования ра диолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для визуализации, классификации и идентификации объектов мониторинга, а также предложены новые методы, позволяющие определять геофизические и геометрические характеристики широкого класса объектов наблюдения на основе пространственно-временной обработки принимаемых радиоло кационных сигналов.

При использовании в радиолокационных системах, эксплуатируемых на воздушном транспорте, пространственно-временной обработки сигна лов необходимо решить две фундаментальные задачи: прямую – опреде лить характеристики отраженного радиолокационного сигнала в зависимо сти от вида, типа и состояния объектов мониторинга;

и обратную – опре делить тип, вид и состояние объектов мониторинга по сигналу на выходе радиолокационной системы. При мониторинге природных сред и техно генных объектов, расположенных в пределах техногенно-опасных и труд нодоступных районов, наибольший интерес представляет решение обрат ной задачи, которая относится к классу так называемых некорректных за дач, при этом конечной целью мониторинга является определение геофи зических и геометрических характеристик исследуемых объектов.

Определение геофизических характеристик связано с анализом про странственно-временных характеристик сигналов, отраженных объектами мониторинга, которые непосредственно связаны с комплексной диэлектри ческой проницаемостью исследуемых объектов. Результатом этого анализа является установленная взаимосвязь между характеристиками отраженных радиосигналов и комплексной диэлектрической проницаемостью объектов мониторинга.

Поляризационное отношение, представленное в выражении (2), дает возможность выразить коэффициенты отражения R HP, R VP, т.е. диаго нальные элементы матрицы рассеяния S11 и S 22, через фазор f :

cos 2 f S11 R HP, 1 f cos (5) cos 2 f S 22 R VP f.

1 f cos В этом случае степень анизотропии:

1 f 1 f при Br, (6) 1 f при Br, 1 f Анализ выражений (5) показывает, что, как об этом говорилось выше, путем измерений ортогональных составляющих матрицы рассеяния можно найти коэффициенты отражения Френеля, а, следовательно, и комплекс ную диэлектрическую проницаемость объектов мониторинга. Для этого необходимо вычислить отношения амплитуд и разность фаз таких состав ляющих.

В работе показано, что путем проведения только относительных измерений в двух ортогональных по поляризации каналах можно опреде лять значение комплексной диэлектрической проницаемости:

4f 1 sin tg 2.

(7) 1 f Соотношение (7) является узловым, поскольку именно оно определя ет реальные пути расширения функциональных возможностей эксплуати руемых радиолокационных систем.

Соотношение (7) является также основой для решения задачи визуали зации, классификации и идентификации объектов при их мониторинге с по мощью радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транс порте. В работе устанавливается взаимосвязь между определяемыми при по мощи радиолокационной системы параметрами эллипса поляризации (коэф фициент эллиптичности – r, угол наклона эллипса поляризации – ) и геофи зическими и геометрическими характеристиками объектов наблюдения.

1 r 2 4i 2 e tg sin 1 r (8) 1 r Re 1 cos 4 tg sin 1 r При использовании выражений (7) и (8) необходимо обеспечить по следовательное излучение радиолокационной системой сигналов одинако вой мощности на горизонтальной и вертикальной поляризациях и измерять значение фазора f (относительная величина!).

В работе устанавливается взаимно-однозначное соответствие между комплексным фазором f и типом поверхности (материалом объекта).

Такую зависимость можно изобразить на плоскости. В этом случае, она будет представлять собой множество точек, соответствующих различным объектам наблюдения, координаты которых определяются действительной и мнимой частями фазора f. Отображение этой зависимости в сферических координатах представляет собой широко известную в литературе, так назы ваемую KLL-сферу (в соответствии с первыми буквами фамилий ее авторов А.И. Козлова, А.И. Логвина, Л.П. Лихарда) (рис.1).

KLL-сфера открывает новые возможности для классификации объек тов мониторинга при использовании радиолокационных систем, эксплуати руемых на воздушном транспорте, при этом основным классификационным признаком будет выступать фазор f.

В работе получены количественные соотношения, позволяющие свя зывать фазор f с координатами точки на поверхности KLL-сферы (долгота и широта).

Рис.1. KLL-сфера При изменении угла визирования точка на поверхности KLL-сферы, соответствующая определенному объекту наблюдения, будет перемещаться по ее поверхности.

Для иллюстрации возможностей применения KLL-сферы для визуа лизации, классификации и идентификации объектов мониторинга в работе представлены зависимости географических координат точек на поверхно сти KLL-сферы, отображающих различные типы земных подстилающих покровов. Пример таких зависимостей представлен на рис.2. из которого видно, для каждого типа подстилающих покровов на KLL-сфере будут вы черчиваться некоторые кривые линии, исходящие из точки, соответст вующей координатам 2 0, 2 90, и заканчивающиеся в точке с ко ординатами 2 0, 2 90.

Для иллюстрации выбраны поверхности, для которых отношение действительной части комплексной диэлектрической проницаемости к ее мнимой части было бы существенно меньше 1, существенно больше 1 или составляло бы величину одного порядка.

Потенциальные возможности радиолокационных систем, эксплуати руемых на воздушном транспорте, открывают пути для разработки мето дов определения геофизических характеристик объектов наблюдения, ко торые, тем не менее, требуют разрешения ряда принципиальных моментов.

В работе предложен новый амплитудно-фазовый метод, позволяю щий расширить функциональные возможности радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, с учетом возникающих при этом теоретических и технических трудностей. Этот метод опирается на использовании полной информации о пространственно-временном состоя нии принимаемых радиолокационных сигналов и дает возможность опре делять тип наблюдаемой поверхности (материал объекта).

Рис.2. Зависимость географических координат 2, 2 точек на KLL–сфере для раз личных типов подстилающих поверхностей от угла наблюдения:

- увлажненный песок;

- морская вода;

- кукуруза Сущность метода сводится, в конечном счете, к определению отноше ний ортогональных составляющих принимаемых сигналов и их разности фаз, что дает возможность определить тип поверхности (материал объекта), опи раясь на найденные по результатам измерений действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости:

1 4 f 1 f cos 2 f sin 2 tg 2, Re 1 2 f cos f (9) 1 f sin sin 2 tg 2, Im 4 f 1 2 f cos f где f и - модуль и аргумент фазора.

В работе в качестве примера проводится расчет фазора для различ ных типов травяного покрова в X-диапазоне при различных условиях на блюдения. Полученные данные показали, что при мониторинге исследуе мой поверхности под различными углами можно управлять точностью оп ределения искомых величин.

Измерения разности фаз ортогональных составляющих представляют собой технически весьма сложную задачу, в то время как измерения отно шения амплитуд этих составляющих могут быть выполнены с достаточно высокой степенью точности.

В работе также предлагается новый амплитудный метод, дающий возможность решать те же задачи, что и амплитудно-фазовый, но опираю щийся только на знание отношения ортогональных составляющих прини маемых сигналов при разных углах наблюдения.

Сущность амплитудного метода заключается в следующем. Любому значению аргумента (согласно (9)) будет соответствовать точка на плос кости с координатами Im,Re. При изменении аргумента от нуля до 360 получается замкнутая кривая, каждая точка которой определяет значе ния действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической прони цаемости при определенном значении аргумента. Аналогичные кривые могут быть получены для всех углов наблюдения. Точка пересечения таких кривых соответствует истинному значению комплексной диэлектрической проницаемости. Координаты этой точки могут быть также получены в ре зультате решения системы соответствующих уравнений.

Для подтверждения возможностей амплитудного метода в работе проведены расчеты действительной и мнимой частей комплексной диэлек трической проницаемости путем обработки экспериментальных данных для следующих типов подстилающих поверхностей: зеленая трава, сухой и мокрый снег, поле без растительности, деревья. Примером такого расчета может служить номограмма для Im и Re зеленой травы, представленная на рис.3. Результаты расчета показали хорошее совпадение с данными, приведенными в литературе.

Рис.3. Номограмма для определения Im и Re зеленой травы В третьей главе проанализированы возможности применения ра диолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для определения геометрических характеристики объектов наблюдения путем пространственно-временной обработки принимаемых сигналов. Проводит ся анализ объектов мониторинга, расположенных в переделах техногенно опасных и труднодоступных районов, с геометрическими неоднородно стями и обосновываются возможности определения геометрических харак теристик таких объектов при помощи радиолокационных систем, эксплуа тируемых на воздушном транспорте.

В качестве геометрической характеристики объектов мониторинга в работе рассматривается степень шероховатости. В общем случае провести разделение факторов, связанных с пространственно-временным состояни ем принимаемых радиосигналов, на зависящие от геофизических характе ристик и от геометрической конфигурации объектов наблюдения не пред ставляется возможным.

Однако, как показано в работе, для достаточно широкого класса по верхностей техногенно-опасных и труднодоступных районов амплитуду отраженной электромагнитной волны можно представить в виде произве дения двух множителей, один из которых определяется только геометри ческими параметрами, а второй – коэффициентами отражения Френеля.

В общем случае поверхность реальных объектов мониторинга пред ставляет собой статистически неровную двумерно шероховатую поверх ность z x, y с диэлектрической проницаемостью x, y. Как и в слу чае гладкой однородной поверхности, необходимо определить элементы матрицы рассеяния таких объектов, т.е. найти решение прямой задачи дис танционного зондирования.

В работе проводится анализ четырех наиболее распространенных моделей неровных (шероховатых) поверхностей (рис.4):

1.крупномасштабная, плавная, пологая, с произвольной шероховато стью, в среднем плоская поверхность;

2.мелкомасштабная, пологая, слабошероховатая, в среднем плоская поверхность;

3.сложная поверхность, покрытая мелкомасштабными и крупномас штабными неоднородностями;

4.модель в виде некогерентных независимых рассеивателей.

Рис.4. Модели неровных поверхностей:

а – модель 1;

б – модель 2;

в – модель 3;

г – модель Параметрами неоднородностей поверхности выступают радиусы корреляции и кривизны поверхности и среднеквадратичная высота неров ностей. С помощью перечисленных моделей могут быть описаны реальные поверхности достаточно широкого класса природных сред и техногенных объектов.

При помощи решения задачи дифракции электромагнитной волны на поверхности в приближении Кирхгофа и использовании теоремы Грина, в работе получены выражения для матриц рассеяния трех перечисленных выше моделей. Матрицу рассеяния для четвертой модели из-за общего ха рактера структур, описываемых этой моделью, представить в явном виде затруднительно. Матрицы рассеяния рассматриваемых моделей неровных поверхностей имеют вид:

a1a2 nz a2 nz RVP a1 RHP 2 2 HP R RVP 1 a2 nz 1 a2 nz S1, (10) aa n 2 a2 nz 2 1 VP a R RHP 2 2 HP R RVP 12z 1 a2 nz 1 a2 nz 1 RVP 2 L,, (11) S2 2 1 RVP 1 RHP sin L, 0 2q2 n 1 a2nz q a2 nz 2a1qnz z nz a2 nz2 q 2a2 nz a2nz q a2 nz q,(12) S3 a2nz q 2qa1 nz 1 a2nz q a2 nz 2a qn 1z nz a2 nz2 q a2 nz q a2nz q где a1, a2, nz,, q - параметры.

Кроме этого, для каждой из трех моделей определены координаты (широта и долгота) собственного поляризационного базиса на поверхности сферы Пуанкаре. Например, для модели 1 координаты собственного поля ризационного базиса определяются только характеристиками шероховато сти поверхности объекта. Наличие мелкомасштабных неровностей на по верхности объекта (модель 2) приводит к тому, что координаты собствен ного поляризационного базиса равны нулю. Совокупность мелкомасштаб ных и крупномасштабных неоднородностей на поверхности объекта (мо дель 3) определяет однозначную зависимость координат собственного по ляризационного базиса от характеристик шероховатости.

В работе рассматривается расширение функциональных возможно стей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транс порте, для определения геофизических и геометрических характеристик объектов мониторинга, имеющих протяженные линейные размеры. Пока зано, что путем управления поляризационным состоянием излучаемых ра диоволн можно оценивать линейные размеры таких объектов.

Значительная часть техногенных объектов мониторинга, исследуе мых в работе, с точки зрения дистанционного наблюдения могут считаться протяженными объектами. Такие объекты мониторинга удобно предста вить в виде набора пространственно разнесенных блестящих точек, кото рые являются достаточно чувствительными к изменению поляризационно го состояния облучаемой электромагнитной волны. Это означает, что та кие участки поверхности объектов мониторинга меняют свои отражатель ные характеристики при изменении вида поляризации облучаемой элек тромагнитной волны. При изменении поляризации источник отраженной электромагнитной волны (фазовый центр) будет перемещаться в простран стве по некоторой кривой. Конфигурация и размеры такой пространствен ной кривой связана с пространственным расположением блестящих точек.

В работе введено понятие пространственного поляризационного контура и предложена процедура его построения – поляризационное оконтуривание.

В работе найдена аналитическая связь между линейными размерами пространственного поляризационного контура и геометрическими харак теристиками объектов мониторинга, что дает возможность оценивать эти характеристики.

В связи с предлагаемой процедурой поляризационного оконтурива ния, в работе рассматриваются два случая: некогерентное и когерентное рассеяние электромагнитных волн от поверхности объектов мониторинга.

При описании процедуры поляризационного оконтуривания рас сматривается модель объекта мониторинга в виде набора из N блестящих точек с пространственными координатами xi, yi. Матрица рассеяния i-й блестящей точки имеет вид: Si Smni.

При некогерентном рассеянии электромагнитных волн суммарная мощность сигналов, отраженных от всех блестящих точек, представляет собой сумму мощностей электромагнитных волн от каждой блестящей точки. В свою очередь, мощность электромагнитной волны для каждой блестящей точки пропорциональна значению s11i.

Для решения задачи оценки геометрических характеристик в работе используется следующий алгоритм:

1. Определяются пространственные координаты фазового центра от раженной электромагнитной волны:

N N N N 2 X фц xi Pi P x s s11i, (13) i i 11i i 1 i 1 i 1 i N N N N 2 Yфц yi Pi P y s s11i. (14) i i 11i i 1 i 1 i 1 i 2. При изменении поляризационного состояния электромагнитной вол ны матрица рассеяния Si подвергается конгруэнтному преобразованию с по мощью унитарной матрицы. По этой причине вместо s11i будет иметь место:

q11 s11 e2i cos 2 s22 e2 i sin 2 s12 sin 2, (15) где, – параметры, определяющие конкретный вид поляризации, на ко торой производится наблюдение объекта мониторинга.

3. Строится кривая, соответствующая перемещению положения фазо вого центра в пространстве (пространственный поляризационный контур).

В работе проведен анализ изменения формы пространственного по ляризационного контура объекта мониторинга в зависимости от числа бле стящих точек и их отражательных характеристик.

Примеры пространственного поляризационного контура приведены на рис.5.

а) б) в) Рис.5. Пространственный поляризационный контур:

а – для случая 4 блестящих точек;

б, в – трансформация при изменении параметра Изменение числа блестящих точек и их отражательных характери стик (параметров и ) приводит к деформации исходного контура при сохранении геометрических размеров контура.

Для случая когерентного рассеяния электромагнитных волн объект мониторинга представляет собой совокупность большого числа статисти чески независимых между собой отражателей. Такая система отражателей вполне пригодна для описания большей части природных сред и техноген ных объектов.

По аналогии с формулами (13), (14) и с учетом рассматриваемой мо дели, выражения для средних значений координат фазового центра отра женной электромагнитной волны имеет вид:

N N N N N N п X фц xi Pi i Pi xi Pi Pj xi Pi P 0, (16) j i 1 i1 i 1 j 1 j N N N N N N п Y yi Pi Pi yi Pi Pj yi Pi Pj 0. (17) i1 i фц i 1 i 1 j 1 j В работе для рассматриваемой модели когерентного отражения по лучены соотношения для среднего квадратичного отклонения положения фазового центра от своего среднего значения (величины X фц и Y фц ). По казано, что это отклонение от геометрического центра системы независи мых отражателей будет:

X фц Y фц 0,4 L. (18) Для проверки правильности полученных теоретических соотноше ний в работе было проведено моделирование. Объект мониторинга пред ставлялся в виде системы из 100 отражателей, случайным образом распре деленных на участке поверхности объекта размером 2 L 2 L. Каждый от ражатель характеризовался излучательной способностью, которая является случайной величиной с известным законом распределения. С помощью формул (13) – (18) определялось положение фазового центра и средние квадратические отклонения его положения. По результатам моделирования производились оценки соответствия полученных размеров пространствен ного поляризационного контура и реальных геометрических характеристик объектов мониторинга.

Для получение целостной картины при оценке геометрических ха рактеристик объектов мониторинга путем управления поляризационным состоянием электромагнитной волны в работе рассмотрены результаты по ляризационного оконтуривание различных моделей пространственно про тяженных объектов дистанционного наблюдения. Были рассмотрены мо дели: комбинированная (случай некогерентного и когерентного рассеяния), двухточечная, трехточечная и многоточечная.

В качестве иллюстрации проведенных исследований на рис.6 изо бражены положения фазового центра при моделировании, а на рис.7 – влияние вида поляризации на положение среднего значения фазового цен тра и вид поляризационного контура.

Рис.6. Положение фазового центра при моделировании (сплошная линия – пространст венный поляризационный контур;

– положения блестящих точек) а) б) Рис.7. Поляризационное оконтуривание ( – положения блестящих точек):

а – влияние поляризации на положение фазового центра;

б – определение среднего положения фазового центра Полученные результаты свидетельствуют о том, что радиолокацион ные системы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, могут при не значительной модернизации приводить к увеличению угловой разрешаю щей способности без существенного изменения антенной конструкции, что дает возможность выйти на решение таких задач, как оценка линейных размеров исследуемых объектов, что особенно важно при мониторинге территорий чрезвычайных бедствий и катастроф.

В четвертой главе рассмотрены вопросы расширения функцио нальных возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, с целью получения достоверной информации о техногенных объектах при мониторинге районов чрезвычайных бедствий и катастроф.

В районах стихийных бедствий, как правило, наблюдается хаотиче ское нагромождение различных металлических конструкций, техники и предметов, железобетонных сооружений и строительных материалов. В таких условиях получение достоверной информации о сложившейся об становке представляет собой крайне сложную техническую и организаци онную задачу. Тем не менее, несмотря на то, что радиолокационные сис темы, эксплуатируемые на воздушном транспорте, мало эффективны для решения задач мониторинга, они при соответствующей модификации мо гут оказаться весьма ценным и одним из немногих средств получения дос таточно достоверной и емкой информации о сложившейся обстановке.

В основе предлагаемых в работе рекомендаций по расширению функциональных возможностей радиолокационных систем лежит тот факт, что перечисленные выше объекты мониторинга являются поляризационно чувствительными и обладают свойствами нелинейного рассеяния электро магнитных волн.

В работе детально рассматриваются особенности использования ме тодов радиполяриметрии при нелинейном рассеянии для мониторинга рай онов чрезвычайных происшествий и катастроф.

Нелинейные эффекты при рассеянии поляризованных электромагнит ных волн позволяют оценить различные параметры достаточно распростра ненного класса природных или техногенных объектов на гармониках или комбинационных составляющих излучаемой электромагнитной волн. При мером нелинейных эффектов могут служить процессы рассеяния электро магнитных волн объектами, содержащими контакты металл-диэлектрик металл и полупроводниковые элементы, ржавчина, окислы и влажные ме таллические конструкции.

В работе приведена классификация объектов мониторинга, обла дающих нелинейными свойствами.

Для оценки возможностей использования радиолокационных сис тем при определении различных характеристик объектов мониторинга в работе были рассмотрены возможные модели объектов, обладающих не линейными свойствами. Основные результаты такого анализы были по лучены для двухвибраторной модели объекта мониторинга – нелинейного рассеивателя.

Поляризационные характеристики объекта мониторинга, обладающего нелинейными свойствами, рассматриваются в предположении изменения поляризационного состояния облучаемой электромагнитной волны. Рассе янная электромагнитная волна будет определяться компонентами uГ ( y ) U cos(nin t nin Г ), sс Г (19) sс in in uВ ( y ) U cos(n t nВ В).

Изменение одного из коэффициентов Г или В приводит к тому, что поляризационное состояние рассеянной электромагнитной волны изменит ся на ортогональное.

Анализ двухвибраторной модели нелинейного рассеивателя показы вает, что можно получить необходимую поляризацию рассеянной элек тромагнитной волны при заданной поляризации облучаемой. При этом проявляются следующие особенности, связанные с нелинейным характе ром рассеяния:

при смене поляризации облучаемой электромагнитной волны не со храняется величина интенсивности рассеянной волны;

на поляризацию рассеянной волны оказывает существенное влияние вид амплитудной характеристики модели;

для четных гармоник фаза рассеянной волны зависит от ориентации модели в пространстве, поэтому на поляризацию рассеянной волны суще ственное влияние оказывает ориентация образующих модель вибраторов;

исчезает возможность однозначного определения поляризационного состояния облучаемой электромагнитной волны по поляризации рассеянной, и существует ограничение на некоторые виды поляризации рассеянной элек тромагнитной волны при заданной поляризации облучаемой электромагнит ной волны и фиксированных параметрах модели нелинейного объекта.

По аналогии с классическим (линейным) случаем радиополяримет рии при дистанционном наблюдении объектов мониторинга в работе опре деляется основная поляризационная характеристика – матрица рассеяния.

При этом квадраты модулей для элементов сформированной матрицы рас сеяния будут выступать аналогом ЭПР на частоте рабочего нелинейного продукта, а аргументы этих элементов должны отсчитываться от фазы того же нелинейного продукта, но полученного путем преобразования в специ альном (эталонном) устройстве. Сформированная таким образом нелиней ная ЭПР становится функцией от величины плотности потока мощности излучаемой электромагнитной волны, падающей на нелинейный рассеива тель, и не имеет физического смысла без указания того значения мощно сти, которое в настоящий момент определяет поддержание процесса нели нейного рассеяния.

В работе проведен анализ существующих методов описания объек тов мониторинга, обладающих нелинейными свойствами: электродинами ческие методы, метод модулирующих функций и функциональные методы.

Среди предлагаемых методов наиболее целесообразно использовать функ циональные методы, использующих ряды Вольтерра–Винера:

y (t ) S0 t S t, u d S t,, u u d d...

1 2 1 2 1 2 1 S n t, 1, 2,..., n u 1 u 2 u n d 1d 2 d n, (20) где u(t) – сигнал, действующий на входе исследуемого объекта;

у(t) – от клик объекта;

S1(.), S2(.), …, Sn(.), – ядра функционального ряда. С помо щью функциональных рядов ВольтерраВинера решается задача разделения видов нелинейности для последующей классификации и устанавливается от носительно простая связь используемых на практике критериев нелинейно сти с характеристиками ядер S2(.), …, Sn(.), … ряда (20).

Для получения соотношений для элементов матрицы рассеяния объ ектов мониторинга, обладающих нелинейными свойствами, в работе были рассмотрены процессы рассеяния плоских волн на нелинейном рассеива теле и стационарное нелинейное рассеяния электромагнитных волн. Для этого облучающая объект мониторинга поляризованная электромагнитная волна может быть представлена в виде совокупности задержанной на раз личное время копий одной и той же электромагнитной волны:

sc in r, t S r, t E t, r d E in in S r,, E t, r E t, r d d...

1 2 1 2 1 S r, 1, 2,..., n E t 1, r Ein t n, r d 1d 2 d n. (21) in В предположении отсутствия временной дисперсии S (r, t ) S (r )(t ), S (r, t1, t2 ) S (r )(t1 )(t2 ) и т.д., ряд (21) становит ся алгебраическим:

Еsc (r, t ) S (r )Ein (r, t ) S (r )E (r, t )Ein (r, t ).

in (22) В случае применяемой в теории рассеяния нормировке (падающая волна – плоская, размерность напряженности – “вольт на метр”, рассеян ная, будучи диаграммой рассеяния имеет размерность – вольт), размер ность элементов матрицы S – “метр”, S – “метр квадратный на вольт”, и вообще, для n-мерного ядра – “метр в степени (n-1) на вольт в степени (n 2)”. Такие размерности обеспечивают независимость введенных характе ристик рассеивающей способности от поляризационного состояния па дающей волны, в том смысле, что эти ядра, как и линейная матрица рас сеяния S, в совокупности определяют теперь уже нелинейный оператор рассеяния (функтор).

В работе рассматривается случай стационарного нелинейного рас сеивания электромагнитных волн, поэтому для облучающей электромаг нитной волны разложение имеет вид:

in in E (r, t ) Е (, k )еi ( t-kr ) d dk и аналогично для рассеянной волны справедливо выражение sc sc E (r, t ) Е (, k )еi ( t-kr ) d dk.

На основе анализа реакции объекта мониторинга, обладающего не линейными свойствами, на облучение его эллиптически поляризованной электромагнитной волной, в работе определяется выражение для матрицы рассеяния такого объекта наблюдения. Такое выражение может быть полу чено путем анализа преобразования поляризационного базиса рассеивате лем вида:

N in m sc E Am E. (23) m В работе показано, что для описания рассеивающих свойств нели нейного рассеивателя в общем случае требуется 8 комплексных чисел, т.е.

16 действительных. Эти числа образуют прямоугольную матрицу разме ром 4х2.

Выражение для элементов матрицы рассеяния объектов мониторинга, обладающих нелинейными свойствами, получено путем применения мат рицы преобразования вида:

Q 2 b C, b H 0,5e 2i sin 2 0,5e 2i sin 2 e 2i 2 sin e 2i cos 0,5e 2i sin 2 cos 2 sin 2 0,5e2i sin e 2i.

0,5e 2i sin 2 0,5e2i sin sin 2 cos 2i 2 2 i 2 i 2 2 i e sin 2 e cos sin 0,5e sin 2 0,5e В работе получены соотношения, которые позволяют определять дальность действия радиолокационной системы при ее использования для обнаружения объектов наблюдения, обладающих нелинейными свойствами.

Были рассмотрены случаи импульсного и непрерывного режимов работы радиолокационной системы. В первом случае, максимальная дальность дей ствия радиолокационной системы будет определяться соотношением:

n 30P (r tr )G tr imp NTG trGn 2 ns re n imp 2( n 1) R. (24) n (4)3 Эscmin (r re ) n Во втором случае, дальность обнаружения объекта мониторинга ока зывается значительно меньше, чем для случая импульсного режима:

n 30n1 P con (r tr ) (G tr )n Gn 2 nt s re n con 2( n 1) Rn. (25) (4)3 Эscmin (r re ) n Пятая глава посвящена экспериментальному доказательству воз можности использования радиолокационных систем воздушного транс порта на примере трассовой РЛС “Скала” (рис.8), работающей в децимет ровом диапазоне волн и функционально никак не предназначенной для оп ределения геофизических и геометрических характеристик объектов мони торинга, именно для определения этих характеристик. В качестве объектов мониторинга выступали лесные массивы и травяные покровы. Полученные результаты экспериментальных исследований сравнивались с приведен ными в работе теоретическими данными. Их совпадение оказалось доста точно удовлетворительным.

Одна часть проведенных экспериментальных исследований касалась определения полных матриц рассеяния широкого класса подстилающих по кровов. При проведении эксперимента последовательно излучались линей но-поляризованные электромагнитные волны (0, 30, 45, 60 и 90).

Для определения поляризационных характеристик в процессе экспери мента были получены соответствующие реализации отраженной электромаг нитной волны. Для подтверждения разработанных в работе и изложенных в гл.3 амплитудного и амплитудно-фазового методов были получены соотно шения, связывающие между собой амплитуду отраженной электромагнитной волны и параметры матрица рассеяния. Расчет элементов матрицы рассеяния опирался на основное уравнение для элементов матрицы рассеяния:

e2i P e S11e 2 i cos 2 S22e 2i sin 2 S 21 sin 2, 2 i (26) Рис.8. Радиолокационная станция “Скала” В результате первичной обработки экспериментальных данных были 2 i получены реализации для элементов матрицы рассеяния Sij e ij, i, j 1, 2, ее собственные значения. В дальнейшим определялись плотно сти распределения вероятности этих величин. При этом каждый параметр вычислялся трижды по трем значениям объема выборки на азимутальных углах 0 360, 0 100 и 280 360, 100 280.Объемы выборки для рассматриваемых параметров составляли в среднем 1440.

На основе методики, предложенной в работе, были рассчитаны чи словые характеристики статистических законов перечисленных выше па раметров (в общей сложности 14 параметров): математическое ожидание, дисперсия, среднее квадратическое отклонение, асимметрия и эксцесс. В работе проведен анализ числовых характеристик различных поляризаци онных параметров. Этот анализ показал, что наиболее устойчивыми к объ ему выборки являются не амплитудные, а именно фазовые параметры и степень анизотропии. Наиболее устойчивыми к изменению азимутального угла являются координаты собственного поляризационного базиса ( 2 и 2 ) и степень анизотропии.

При аппроксимации статистического закона распределения исполь зовались методы оценки отношения правдоподобия, что соответствует применению физико-статистического подхода к выбору типа аппроксими рующего распределения, который предполагает выбор предельного рас пределения поляризационных характеристик на основе физических усло вий их формирования и электродинамических характеристик подстилаю щих покровов. При обработке результатов эксперимента в качестве общего вида распределения в работе выбрано семейство кривых Пирсона, опреде dy xb dx.

ляемое дифференциальным уравнением:

y C 0 C1 x C 2 x На основании экспериментальных данных на основе метода наи меньших квадратов были найдены плотности и функции распределения вероятностей элементов S11, S12, S 22.

Анализ экспериментальных данных показал, что значения модулей элементов матрицы рассеяния достаточно компактно группируются вокруг соответствующих средних значений, для элементов S11 и S 22 характерно наличие двумодального, а иногда и даже трехмодального вида распределе ния. Резко отличается вид закона распределения для элемента S12 ;

для него характерна унимодальность и малая ширина кривой плотности распреде ления. Аналогичные гистограммы и аппроксимирующие их распределения получены для соотношений фаз элементов матрицы рассеяния и углов, ха рактеризующих положение собственного поляризационного базиса на сфере Пуанкаре, и собственных элементов матрицы рассеяния.

В работе рассматривается один из возможных способов к описанию распределений основанный на построении семейства кривых Пирсона, при помощи которого можно удовлетворительно представить встречающиеся распределения. В работе на основе известного алгоритма проведен расчет значения критерия согласования для всех 14 параметров элементов мат рицы рассеяния, соответствующий тип кривых Пирсона, а также соответ ствующий им вид распределения. При этом наиболее “распространенным” является третий тип кривых Пирсона и соответствующее - распределе ние параметров. Для оценки соответствия эмпирического распределения теоретическому был использован критерий Колмогорова.

Вторая часть экспериментальных исследований проводилась с целью подтверждения расширения функциональных возможностей радиолокаци онных системах, эксплуатируемых на воздушном транспорте, а также для решения несвойственной ей задачи оценки геометрических характеристик объектов мониторинга, имеющих протяженные линейные размеры.

Экспериментальная установка (рис.9) представляла собой радиоло кационную измерительную систему. В качестве передающих и приемных антенн использовались рупорные антенны (три передающих и одна прием ная). Имитация изменения матриц рассеяния блестящих точек при измене нии поляризации зондирующего сигнала производилась вращением пере дающих антенн вокруг своей оси на произвольный угол.

а) б) Рис.9. Установка для проведения экспериментальных исследований возможностей по ляризационного оконтуривания В результате проведенного эксперимента было получено свыше реализаций. В работе были построены соответствующие пространственные поляризационные контуры. Измерения проводились для случаев когерент ного и некогерентного рассеяния электромагнитных волн.

На рис.10 и рис.11 представлены пространственные поляризацион ные контуры, построенные по результатам обработки экспериментальных данных. Первый рисунок соответствует случаю когерентного рассеяния электромагнитных волн, а второй – некогерентного рассеяния.

Рис.10. Экспериментально полученный поляризационный контур цели (трехточечная модель), случай когерентного рассеяния:

– расположение блестящих точек цели;

сплошная линия – пространственный поляризационный контур Рис.11. Поляризационный контур, полученный в результате обработки эксперимен тальных данных (случай некогерентного рассеяния):

– расположение антенн;

сплошная линия – пространственный поляризационный контур Анализ полученных экспериментальных результат позволяет сделать вывод об адекватности предлагаемого подхода по оценке геометрической конфигурации объектов мониторинга путем управления поляризационным состоянием электромагнитных волн.

Форма и расположение пространственного поляризационного конту ра совпадают с аналогичными, полученными в результате теоретических расчетов.

Заключение В диссертационной работе на основе проведенного анализа:

- традиционных методов мониторинга природных сред и техноген ных объектов радиолокационными системами;

- возможности и целесообразности расширения функциональных воз можностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, при использовании их для мониторинга природных сред и тех ногенных объектов;

- возможностей радиолокационных систем, эксплуатируемых на воз душном транспорте, для определения геофизических и геометрических ха рактеристик объектов наблюдения по результатам мониторинга;

- возможности применения радиолокационных систем, эксплуати руемых на воздушном транспорте, для визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов.

- обоснования расширения возможностей модернизируемых радио локационных систем путем применения пространственно-временной обра ботки принимаемых радиолокационных сигналов для определения харак теристик объектов наблюдения на фоне природных сред по результатам мониторинга.

В ходе выполнения работы были получены следующие новые науч ные результаты:

- предложен метод визуализации, классификации и идентификации природных сред и техногенных объектов;

- разработан метод определения геофизических и геометрических характеристик широкого класса объектов наблюдения на основе простран ственно-временной обработки сигналов, получаемых при мониторинге ра диолокационными системами, эксплуатируемыми в гражданской авиации;

- экспериментально определены статистические характеристики сиг налов, отраженных от широкого класса объектов мониторинга, находя щихся в техногенно-опасных и труднодоступных районах;

- предложен метод улучшения тактико-технических характеристик радиолокационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов.

- разработаны математические модели, адекватные объектам наблю дения, для мониторинга техногенно-опасных и труднодоступных районов.

Таким образом, в результате выполненной работы теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможности применения радиолокационных систем, эксплуатируемых в гражданской авиации, для мониторинга и определения характеристик техногенно-опасных и трудно доступных районов и расположенных в них объектов наблюдения.

Полученные результаты позволяют:

- позволяют использовать радиолокационные системы, эксплуати руемые на воздушном транспорте, для определения геофизических и гео метрических характеристик широкого класса объектов наблюдения при их мониторинге;

- позволяют использовать радиолокационные системы, эксплуати руемые на воздушном транспорте, для оценки геометрических неодно родностей объектов наблюдения, расположенных в техногенно-опасных и труднодоступных районах;

- позволяют увеличивать степень различения техногенных объектов, находящихся на поверхности природных сред, при их мониторинге радио локационными системами, эксплуатируемыми на воздушном транспорте;

- позволяют улучшить тактико-технические характеристики радио локационных систем, эксплуатируемых на воздушном транспорте.

Публикации по теме диссертационной работы Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, опубликованы в следующих основных печатных работах автора.

Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобразования России для публикации основных научных результатов диссертаций на соиска ние ученой степени доктора наук 1. Колядов Д.В. Анализ взаимосвязи между электрофизическими и элек тродинамическими характеристиками подстилающих покровов для решения задач дистанционного зондирования. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2000, №24.

2. Колядов Д.В. Анализ влияния поляризационных характеристик целей на их различимость. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радио техника, 2001, №36.

3. Колядов Д.В. Некоторые принципы классификации радиолокационных целей. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2001, №36.

4. Колядов Д.В. Поляризационная обработка радиолокационных сигналов, отраженных от протяженных объектов. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радио физика и радиотехника, 2002, №54.

5. Колядов Д.В. Связь между электродинамическими и поляризационными характеристиками подстилающих покровов. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер.

Радиофизика и радиотехника, 2000, №24.

6. Колядов Д.В., Поляризационная обработка радиолокационных сигналов, отраженных от протяженных объектов. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Ра диофизика и радиотехника, 2002, №54.

7. Колядов Д.В. Амплитудный метод определения комплексной диэлек трической проницаемости подстилающих поверхностей при их дистанционном зондировании. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2002, №54.

8. Козлов А.И., Колядов Д.В. Матрица рассеяния нелинейных отражателей.

– Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2004, №79.

9. Козлов А.И., Колядов Д.В. Основное уравнение нелинейной радиолока ции. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2004, №79.

10. Козлов А.И., Колядов Д.В. Уравнение дальности при нелинейной ра диолокации. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2004, №79.

11. Козлов А.И., Колядов Д.В. Эффективная площадь рассеяния нелиней ных отражателей. – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотех ника, 2004, №79.

12. Козлов А.И., Логвин А.И., Колядов Д.В. Оконтуривание радиолокаци онных целей и возможность оценки их геометрических размеров путем управле ния поляризационными характеристиками излучаемых электромагнитных волн (случай когерентного рассеяния). – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофи зика и радиотехника, 2005, №96.

13. Козлов А.И., Логвин А.И., Колядов Д.В. Оконтуривание радиолокаци онных целей и возможность оценки их геометрических размеров путем управле ния поляризационными характеристиками излучаемых электромагнитных волн (случай некогерентного рассеяния). – Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радио физика и радиотехника, 2005, №93.

14. Козлов А.И., Логвин А.И., Колядов Д.В. Оконтуривание радиолокаци онных целей и возможность оценки их геометрических размеров путем управле ния поляризационными характеристиками излучаемых электромагнитных волн (случай смешанного рассеяния). Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофи зика и радиотехника, 2005, №96.

15. Козлов А.И., Логвин А.И., Колядов Д.В. Оконтуривание радиолокаци онных целей и возможность оценки их геометрических размеров путем управле ния поляризационными характеристиками излучаемых электромагнитных волн (случай случайного рассеяния). Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизи ка и радиотехника, 2005, №93.

Книги и монографии 1. Колядов Д.В. Графические представления поляризации радиоволн. В кн. А.И.

Козлов, А.И. Логвин, В.А. Сарычев “Поляризация радиоволн. Поляризационная струк тура радиолокационных сигналов, т.1” – М.: Радиотехника, 2005.

2. Колядов Д.В. Матрица рассеяния нелинейных безынерционных рассеивателей.

В кн. А.И. Козлов, А.И. Логвин, В.А. Сарычев “Поляризация радиоволн. Радиолокаци онная поляриметрия, т.2” – М.: Радиотехника, 2007.

3. Колядов Д.В. Применение поляризационного анализа для улучшения различе ния радиолокационных целей методами поляризационной адаптации. В кн. А.И. Козлов, А.И. Логвин, В.А. Сарычев “Поляризация радиоволн. Радиополяриметрия сложных по структуре сигналов, т.3” – М.: Радиотехника, 2008.

Статьи и работы в иных отечественных журналах и изданиях 1. Козлов А.И., Колядов Д.В. “О возможности определения электрофизических и геометрических характеристик объектов радиолокационного мониторинга при их дис танционном зондировании методами радиополяриметрии”. Труды 2-й Международной конференции “Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации”, Суздаль, 2007, с. 143-146.

2. Колядов Д.В. О возможности определения электрофизических и геометриче ских характеристик радиолокационных объектов методами радиполяриметрии. Труды XX научной конференции МФТИ “Современные проблемы фундаментальных и при кладных наук”, Москва, 2007, с.98-100.

3. Козлов А.И., Логвин А.И., Колядов Д.В. Поляризационные эффекты при нели нейной радиолокации. Доклады Сибирского поляризационного семинара “СибПол-2004”.

– Томск – Сургут, 2004.

Статьи и работы в иных иностранных журналах и изданиях 1. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.2, “Electrodynamic characteristics derived from physical characteristics”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 1998 (Kolyadov D.V. – pp.13-17).

2. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.2, “Electrodynamic characteristics derived from physical characteristics”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 1998 (Kolyadov D.V. – pp.33-35).

3. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.4, “Deterministic and Stochastic modeling of objects”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 1998 (Kolyadov D.V. – pp.7-14).

4. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.9, “Method to increase the radar contrast”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 1998 (Kolyadov D.V. – pp.15-18).

5. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.12, “Criteria for testing the radar functions”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 1999 (Kolyadov D.V. – pp.23-25).

6. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.12, “Methods of parameter evaluation”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 1999 (Kolyadov D.V. – pp.16-19).

7. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.14, “Measurement campaigns using an 1,8 cm and 3,2 cm coherent radar with controlled polarization capabilities”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2000 (Kolyadov D.V. – pp.8-10).

8. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.15, “Data processing and data analysis of experiments”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2000 (Kolyadov D.V. – pp.21-24).

9. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.16, “Comparisons between theory and experiment”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2000 (Kolyadov D.V. – pp.21-23).

10. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.17, “Refinement of theory and experiment”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2001 (Kolyadov D.V. – pp.10-13).

11. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.18, “Measurement campaigns using an 1,8 cm and 3,2 cm coherent radar with controlled polarization capabilities (continuation of 14th vol.)”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2001 (Kolyadov D.V. – pp.11-13).

12. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Verification of Earth-Based Radar Objects. Vol.19-20, “Conclusion, recommendation, new areas for application”, Mos cow, MSTUCA, Delft, TUD, 2001 (Kolyadov D.V. – pp.25-30).

13. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.1, “Relations between the polarization characteristics of the elec tromagnetic waves reflected from the geophysical objects and the characteristics of these geo physical objects”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2003 (Kolyadov D.V. – pp.22-25).

14. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.2, “Sensitivity analysis on the measurement accuracy of the vari ous polarization parameters to distinguish geophysical objects”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2003 (Kolyadov D.V. – pp.15-20).

15. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.3, “Derivation of accurate estimates of the polarization parameters of reflected radio waves”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2003 (Kolyadov D.V. – pp.7-10).

16. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.4, “Criteria for evaluation of methods to distinguish targets and geophysical objects on the basis for various polarization parameters”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2003 (Kolyadov D.V. – pp.17-24).

17. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.5, “Development of statistical models describing the process of reflected radiowaves from various geophysical objects;

verification of the models by experi ments and determination of statistical characteristics the target and the reflected radiowave parameters”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2004 (Kolyadov D.V. – pp.25-28).

18. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.6, “Application of the KLL-sphere and evaluation of efficiency of this application for distinguishing geophysical objects”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2004 (Kolyadov D.V. – pp.18-21).

19. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.7, “Effects of antenna polarization characteristics of distinguishing geophysical objects”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2005 (Kolyadov D.V. – pp.14-19).

20. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Remote Sensing of the Earth Surface based on Radar Polarimetry. Vol.8, “Development of adaptive algorithms using polarization pa rameters for optimization to distinguishing geophysical objects”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2005 (Kolyadov D.V. – pp.16-25).

21. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Algorithm Developments of Surface and Sub-Surface Sensing based Polarimetric Scatterometry. Vol.1, “Methods to dis tinguish geophysical objects based on their special physical properties (non-linear reflection)”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2006 (Kolyadov D.V. – pp.26-29).

22. Kozlov A.I., Ligthart L.P., Logvin A.I. Modeling and Algorithm Developments of Surface and Sub-Surface Sensing based Polarimetric Scatterometry. Vol.2, “Analysis of po larimetric radar possibilities to improve the classification/identification of geophysical objects by compressing the received signal in case of non-linear reflections including experimental validation of these possibilities”, Moscow, MSTUCA, Delft, TUD, 2006 (Kolyadov D.V. – pp.7-14).

23. Kolyadov D.V., Ligthart L.P., Kozlov A.I.. Amplitude-based measurement tech nique in polarimetric radar remote sensing for determining the dielectric permittivity of earth media. Book of abstracts, MIKON 2006, Warsaw, p.157.

24. Kolyadov D.V., Ligthart L.P., Kozlov A.I.. Amplitude-phase method allowing the determination of the complex dielectric permittivity of underlying surfaces using polarimetric radar remote sensing. Book of abstracts, EuRAD 2006, Manchester, p.154.

Соискатель Д.В. Колядов