WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Полученные экспериментальные данные находятся в согласии с расчётными оценками, данными модельных экспериментов в безэховой камере и с экспериментами на луговой части полигона.

В четвертой главе приводятся экспериментальные данные по ослаблению СШП излучения, алгоритм построения томографического изображения участка эталонного лиственничного бора, а также предложена процедура повышения пространственного разрешения томограммы.

Томографическое изображение снималось при сканировании по азимуту в диапазоне ±100 и углу места 00 с шагом 20. При построении томограммы в начале производилось накопление данных с различных участков исследуемого леса для увеличения соотношения сигнал/шум. На каждом градусе по азимуту имелось шесть частей трассы, которые впоследствии были соединены в одну трассу (рисунок 11). Она представляла собой полную временную развертку измеряемой трассы. По 11 ракурсам восстанавливался сигнал сечения.

Рисунок – 11. Радиолокационный отклик леса на СШП сигнал При томографии леса необходимо учитывать, что лес одновременно является и объектом зондирования и средой распространения излучения. В первом приближении можно считать, что рассеяние волн происходит на отдельных неоднородностях леса (стволах, ветках, листьях и иголках), но до них и от них излучение идет сквозь всю толщу лесного полога, испытывая фоновое ослабление. Это означает, что амплитуда отраженных сигналов будет экспоненциально убывать с расстоянием до точки рассеяния. Для оценки экспоненциального ослабления наиболее удобно использовать огибающую амплитуды аналитического сигнала. На рисунке 12 показана экспериментальная зависимость ослабления амплитуды аналитического сигнала, соответствующего усредненному по азимуту радарному отклику. Наклонная пунктирная прямая построена по методу наименьших квадратов в предположении экспоненциального ослабления сигналов при распространении в лесной среде.

На существование такого ослабления по крайней мере на небольших расстояниях (до 35 м) указывают результаты предшествующих исследований, выполненных на отдельных монохроматических частотах. Такое ослабление получается в предположении, что среда распространения удовлетворительно описывается как сплошная среда с комплексным показателем преломления n = n + i n. В этом случае комплексная амплитуда монохроматического сигнала на частоте f = k c 2 ослабляется с расстоянием d по закону ( ) E = E0 exp d Im n = E0 exp d n.

( ) {-k {-k } } Погонное ослабление, выраженное в децибелах (дБ/м), при этом определяется как = 20k n lg e.

Найденное по методу наименьших квадратов значение, если под амплитудой понимать модуль соответствующего аналитического сигнала, для импульсного СШП излучения значение оказывается равным =1,1±0,2 дБ/м.

Отсюда следует первая операция в восстановлении томограммы леса – выравнивание многоракурсных радарных данных путем их перенормировки с учетом найденной усредненной зависимости (рисунок 13 а и 13 б). Видно, что отражения, относящиеся к удаленным рассеивателям, выровнялись с отражениями от близко расположенных рассеивателей. Близко расположенные объекты перестали «забивать» удаленные объекты – деревья на заднем плане.

Рисунок 12 – Экспоненциальное ослабление амплитуды СШП сигнала в лесу Для сравнения полученных результатов с другими известными данными для монохроматического излучения приведен рисунок 14, взятый из кандидатской диссертации С.Н. Новика (построенный для того же исследуемого участка эталонного леса), где пунктирной кривой проведена усредненная аппроксимационная зависимость, взятая из обзора [Chukhlantsev A. A., Shutko A. M., and Golovachev S. P. Attenuation of Electromagnetic Waves by Vegetation Canopies in the 100 – 10000 MHz Frequency Band] для различных типов лесов.

Указанная зависимость в области частот от 100 МГц до 10 ГГц описывается формулой:

0. (1) = a f, где a = 810-4 – размерный регрессионный коэффициент.

м МГц0.8 дБ-Рисунок 13 а – Локационный отклик леса до Рисунок 13 б – Локационный отклик леса после нормировки нормировки Рисунок 14 – Спектральная зависимость погонного ослабления горизонтально (1), вертикально (2) и кросс (3) поляризованного излучения Для использования оценки погонного ослабления, определяемого формулой (1), может быть взята средняя частота < f > зондирующего импульса, рассчитанная по формуле:

< f >= f W ( f )df где W ( f ) – нормированный энергетический спектр импульса, f – частота. Эта нормировка предполагает, что:

W ( f )df =1.

В нашем случае оказывается, что < f >= 7,1 ГГц, тогда ослабление по формуле (1) получается =1,0 дБ/м. Эта оценка близка к найденной нами из экспериментальных данных.

Радиолокационная панорама леса после перенормировки может быть интерпретирована как первичное томографическое изображение леса.

Вторая операция состоит в сжатии радарного отклика по времени (дальности). Операция сжатия радарного отклика по времени достаточно традиционна и осуществляется с использованием согласованной фильтрации:

,, A() = A(t)e-itdt R(t) = A()B*()eitd, B() = B(t)e-itdt где – радиолокационный отклик леса на СШП сигнал в спектральной A() области, – радиолокационный отклик отдельной цели (дерева) на СШП B() сигнал в спектральной области, – фильтрованный радарный отклик леса R(t) на СШП сигнал.

В результате максимально увеличивается отношение сигнал-шум: вклады отдельных неоднородностей становятся более локализованными, а шумы усредняются.

Третья операция менее традиционна – это деконволюция (обратная свертка), т.е. операция снятия размытия изображения по азимуту за счет конечности ДН антенны радара. Деконволюция осуществляется с использованием винеровской фильтрации с регуляризацией:

,, R( p)G*( p) X () = eipdp R( p) = R()e-ipd G( p)G*( p) + -, G( p) = G()e-ipd где X () – обратная свертка, R( p) – радиолокационный отклик леса на СШП сигнал в области пространственных частот, G() – функция, описывающая ДН антенны, – параметр регуляризации. Все это осуществляется на каждой из временных частот f. Далее идет возврат в область времени.

Результат согласованной фильтрации и операции деконволюции показан на рисунке 15 б. Для сравнения приведен результат интерполяции угловых сечений томографического изображения леса без фильтрации (рисунок 15 а).

Эта картина содержит множество неоднородностей, большое число из которых совпадает с положением деревьев в лесу. Это хорошо видно на рисунке 16, где ландшафтный план и радиотомограмма леса совмещены.

Рисунок 15 – Томографическое изображение участка леса до корреляционной обработки (a) и после обработки (b) На приведенной томограмме результаты восстановления распределения неоднородностей показаны в виде градаций серого цвета. Окружностями обозначено местоположение деревьев на независимо снятом ландшафтном плане исследуемого участка леса. Как видно из приведенных данных, отмечается хорошее согласие полученных результатов с ландшафтным планом вплоть до положения отдельных деревьев. Это согласие получается приблизительно в 70 % случаев. Видно, что кроме выделенных деревьев наблюдаются некоторые дополнительные неоднородности, которые, повидимому, связаны с крупными ветками лесного полога.

Рисунок 16 – Томограмма и ландшафтный план леса Дальнейшее повышение пространственного разрешения может быть сделано, если учесть возможность перехода от многоракурсных угловых измерений распределения локационного отклика леса к эквивалентному спектру пространственных частот. С помощью преобразования Фурье этот спектр однозначно связан с пространственным распределением поля в некоторой эквивалентной поперечной апертуре рисунок 17. Восстановив так пространственное распределение поля, можно далее воспользоваться технологией синтезирования большой апертуры и сфокусировать зарегистрированное поле на любые заданные дальность и угловое положение.

Если в точке фокусировки присутствует реальная неоднородность, то отклик будет тем заметнее, чем больше неоднородность. Изменяя положение точки фокусировки, можно просканировать все зондируемое пространство и таким образом получить томограмму неоднородной среды, в нашем случае, леса, рисунок 18. Разумеется, предлагаемая процедура будет работать лишь в пределах зоны дифракции Френеля.

Рисунок 17 – Восстановление Рисунок 18 – Синтезирование и фокусировка пространственного распределения поля по излучения на заданное расстояние эквивалентной апертуре С целью проверки работоспособности предлагаемого подхода была смоделирована сканирующая система с шириной диаграммы направленности порядка 40 в азимутальной плоскости (рисунок 19). Угловой обзор проводился в диапазоне (-900,+900) в предположении наличия одного рассеевателя в точке х=5 м и y=6 м. Полученный угловой спектр был пересчитан в спектр пространственных частот и далее в эквивалентное распределение поля по апертуре. К полученному эквивалентному распределению поля была применена процедура фокусировки. Достигнутая при этом концентрация поля вблизи точки фокусировки показана в виде градаций серого цвета на рисунке 20.

Рисунок 19 – Диаграмма направленности по Рисунок 20 – Распределение поля вблизи точки мощности фокусировки Видно, что наилучшая концентрация (отмечена стрелками) реализуется в точке расположения рассеевателя. Её размер оценивается как 0,5 м, в то время как ширина энергетического спектра, пересчитанная к этому расстоянию, равна 3,7 м. Таким образом, область локализации благодаря эффекту фокусировки улучшилась приблизительно в 7 раз.

В случае использования импульсного излучения и процедуры согласованной фильтрации можно получить 2D томограмму, т.е.

пространственное распределение неоднородностей в плоскости зондирования.

На рисунке 21 показан пример восстановления томограммы 3-х рассеивателей с использованием описанной процедуры для импульса длительностью 100 пс.

Рисунок 21 – Томограмма 3-х неднородностей с использованием импульсного излучения В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.

Основные результаты и выводы Проведен анализ состояния экспериментальных исследований лесных массивов с использованием радиоволн УКВ диапазона, для которых лесная среда полупрозрачна. Установлена наибольшая перспективность использования метода импульсной СШП томографии.

При непосредственном участии автора разработан, изготовлен и испытан действующий макет СШП радара, использующий направленные импульсы пикосекундной длительности. Детально исследованы временные и пространственные характеристики используемого излучения.

Показано, что импульсное излучение может быть успешно использовано для измерения погонного ослабления радиоволн с расстоянием в лесу.

Разработан алгоритм его оценки на основе использования теории аналитического сигнала и усреднения по множеству угловых ракурсов. По данным радиолокационного многоракурсного зондирования ослабление амплитуды пикосекундного импульсного излучения в лесном массиве, вплоть до расстояний порядка 25-35 м, носит преимущественно экспоненциальный характер изменения с погонным ослаблением порядка 1,1±0,2 дБ/м. Это согласуется с данными спектральных измерений других авторов.

Установлено, что многоракурсные измерения могут быть использованы для перенормировки радиолокационных откликов и выравнивания угловых измерений по дальности. Это служит, в том числе, устранению влияния взаимных затенений и первичной подготовки данных в цепочке томографической обработки экспериментальных данных. С точки зрения теории распространения радиоволн это говорит в пользу применимости для леса эффективного комплексного показателя преломления как для сплошной среды.

Показано, что использование метода согласованной фильтрации приводит к повышению контрастности импульсных радиолокационных откликов во временной области и это важно для повышения разрешения по дальности в условиях шумов и мешающих отражений. Эта операция является второй в последовательности операций в алгоритме получения томограммы леса. Реально достигаемое разрешение в продольном направлении с импульсным излучением 150 пс длительности оценивается как 5 см.

На основе анализа многоракурсных измерений с уголковым отражателем и одиночным деревом проведена оценка направленных свойств макета СШП радара и разработана новая методика оценки диаграммы направленности с использованием нестационарного импульсного излучения и теории аналитического сигнала. Предложен алгоритм оценки диаграммы направленности системы импульсного СШП зондирования по максимуму огибающей восстанавливаемого аналитического сигнала при каждом угловом сканировании. Предложенный метод был использован для оценки ДН антенной системы СШП импульсного радара в азимутальной плоскости. Величина ширины ДН по уровню половинной мощности оценивается как 5°.

Исследованы закономерности рассеяния пикосекундного импульса с уголковым отражателем на лугу, с одиночным деревом на лугу и с уголковым отражателем в лесу. Сигнал рассеянный УО в лесном массиве не имеет качественных особенностей по сравнению с измерениями на открытой местности, следовательно: при сканировании вклад впереди и близко стоящих деревьев на сигнал УО имеет второй порядок малости и допустимо применение приближения однократного рассеяния.

Показано, что использование операции деконволюции (обратной свертки) с использованием усредненной ДН радара позволяет повысить пространственное разрешение неоднородностей в поперечном направлении до 30 см. Эта операция является третьей, заключительной, в последовательности действий для получении томограммы леса.

Путем сравнения полученной радиоволновой томограммы и ландшафтного плана эталонного участка леса показано удовлетворительное (до 70 %) взаимное согласие, что указывает на потенциальную применимость предлагаемого метода для картографирования структуры лесов и малорамерных объектов в нем.

На основе численного эксперимента показан путь для дальнейшего повышение пространственного разрешения, если учесть возможность перехода от многоракурсных угловых измерений распределения локационного отклика леса к эквивалентному спектру пространственных частот. С помощью преобразования Фурье этот спектр однозначно связан с пространственным распределением поля в некоторой эквивалентной поперечной апертуре.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»