Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления
Проанализированы характеристики обратного рассеяния сигналов СВЧ диапазона растительностью. Показано, что при порывистом ветре радиолокационные сигналы, отраженные от небольших участков растительности, являются нестационарными – мощность отраженного сигнала и его мгновенные спектры зависят от времен...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радиофизика и радиоастрономия |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100076 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления / В.Г. Гутник, В.Н. Горобец, Ю.В. Гончаренко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 4. — С. 376-383. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859819600494985216 |
|---|---|
| author | Гутник, В.Г. Горобец, В.Н. Гончаренко, Ю.В. |
| author_facet | Гутник, В.Г. Горобец, В.Н. Гончаренко, Ю.В. |
| citation_txt | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления / В.Г. Гутник, В.Н. Горобец, Ю.В. Гончаренко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 4. — С. 376-383. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радиофизика и радиоастрономия |
| description | Проанализированы характеристики обратного рассеяния сигналов СВЧ диапазона растительностью. Показано, что при порывистом ветре радиолокационные сигналы, отраженные от небольших участков растительности, являются нестационарными – мощность отраженного сигнала и его мгновенные спектры зависят от времени. Предложен и реализован алгоритм формирования нестационарных радиолокационных сигналов в СВЧ диапазоне. Показано, что характеристики сигнала, сформированного для конкретных условий, удовлетворительно совпадают с характеристиками экспериментального сигнала, полученного при тех же условиях.
Проаналізовано характеристики зворотного розсіяння сигналів НВЧ діапазону рослинністю. Показано, що при поривчастому вітрі радіолокаційні сигнали, відбиті від невеликих ділянок рослинності є нестаціонарними – потужність відбитого сигналу і його миттєві спектри залежать від часу. Запропоновано і реалізовано алгоритм формування нестаціонарних доплерівських сигналів у НВЧ діапазоні. Показано, що характеристики сигналу, сформованого для конкретних умов, задовільно співпадають з характеристиками експериментального сигналу, одержаного за тих самих умов.
The characteristics of microwave backscattering from vegetation are analyzed. It is shown that under fitful wind conditions the microwave signals scattered from small patches of vegetation are unsteady. The total power of scattered signal and its instantaneous spectrum strictly depends on time. The algorithm for unsteady radar microwave signal creation is proposed and actualized. It is shown that characteristics of signal, generated for particular conditions fairly agree with experimental signal characteristics obtained at the same conditions.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:25:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012376
Радиофизика и радиоастрономия. 2012, Т. 17, № 4, c. 376–383
ÐÀÄÈÎÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÀÑÏÅÊÒÛ
ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÈ, ÐÀÄÈÎÍÀÂÈÃÀÖÈÈ,
ÑÂßÇÈ È ÄÈÑÒÀÍÖÈÎÍÍÎÃÎ
ÇÎÍÄÈÐÎÂÀÍÈß
В. Г. ГУТНИК 1, В. Н. ГОРОБЕЦ 2, Ю. В. ГОНЧАРЕНКО 2
1 Радиоастрономический институт НАН Украины,
ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина
2 Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины,
ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61082
E-mail: gutnik@rian.kharkov.ua
ÐÀÄÈÎËÎÊÀÖÈÎÍÍÛÅ ÎÒÐÀÆÅÍÈß ÎÒ ÐÀÑÒÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ
 ÑÂ× ÄÈÀÏÀÇÎÍÅ. ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
È ÌÎÄÅËÜÍÛÅ ÏÐÅÄÑÒÀÂËÅÍÈß
Проанализированы характеристики обратного рассеяния сигналов СВЧ диапазона растительностью. Показано, что при
порывистом ветре радиолокационные сигналы, отраженные от небольших участков растительности, являются неста-
ционарными – мощность отраженного сигнала и его мгновенные спектры зависят от времени. Предложен и реализован
алгоритм формирования нестационарных радиолокационных сигналов в СВЧ диапазоне. Показано, что характеристики
сигнала, сформированного для конкретных условий, удовлетворительно совпадают с характеристиками эксперименталь-
ного сигнала, полученного при тех же условиях.
Ключевые слова: радиолокационные отражения, растительность, нестационарные сигналы, статистические характеристики,
моделирование
УДК 621.396.969
© В. Г. Гутник, В. Н. Горобец, Ю. В. Гончаренко, 2012
1. Ââåäåíèå
Характеристики сигналов СВЧ диапазона, отра-
женных растительностью, используются при раз-
работке радиолокационных систем (РЛС) для ре-
шения задач дистанционного зондирования, обна-
ружения, селекции, распознавания и определения
координат объектов на фоне отражений от мест-
ности. Получение достоверных характеристик
обратного рассеяния сантиметровых радиоволн
растительностью требует всестороннего изучения
рассеянных сигналов.
Большой интерес представляют сигналы, ис-
пользующие информацию не только об амплиту-
де отраженного сигнала, но и о его фазе, в кото-
рой заложена информация о скорости перемеще-
ния отражателей. Для получения этой информа-
ции необходимо в приемном устройстве получить
сигнал, фаза которого пропорциональна разности
фаз отраженного и излученного сигналов. Этот
сигнал авторы называют доплеровским сигналом,
поскольку он получен благодаря изменению час-
тоты сигнала, отраженного движущимся объек-
том, (эффект Доплера). Сигнал содержит колеба-
ния с доплеровскими частотами и обладает доп-
леровским спектром (распределением мощности
отраженного сигнала по доплеровским частотам),
поэтому его логично назвать доплеровским.
В работе дальнейшие рассуждения ведутся при-
менительно к доплеровским сигналам.
Сигналы обратного рассеяния от участков по-
верхности с растительностью являются случайны-
ми функциями времени, которые полностью опи-
сываются многомерным законом распределения.
Моменты этого распределения являются характе-
ристиками обратного рассеяния. На практике в ка-
честве основной характеристики используют дис-
персию мгновенных значений принятого сигнала,
которая определяется удельной эффективной по-
верхностью рассеяния (ЭПР) пространственно-рас-
пределенных рассеивателей и пространственными
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 377
Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики...
размерами рассеивающего элемента. В доплеров-
ских сигналах представляет значительный интерес
спектральная плотность мощности принятого сиг-
нала, которая характеризует распределение мощ-
ности этого сигнала по доплеровским частотам.
Для описания нормально распределенных стацио-
нарных сигналов, отраженных растительностью,
этих характеристик вполне достаточно.
С уменьшением размеров отражающего эле-
мента поверхности сигнал, рассеянный раститель-
ностью, даже в случае растительности одно-
го вида, перестает быть стационарным [1–3].
По-видимому, это связано с тем, что элемент раз-
решения радиотехнической системы и время
наблюдения, необходимое для задач, которые
она решает, становятся соизмеримыми с прост-
ранственно-временными неоднородностями эле-
мента поверхности, отражающего радиоволны.
В случае использования доплеровских сигна-
лов нестационарность отраженных сигналов про-
является потому, что с изменением интенсив-
ности ветра в пространстве и во времени на участ-
ке растительности, отражающем радиоволны,
появляются участки растительности, имеющие
различные мгновенные скорости. Это обуславли-
вает разные интенсивности рассеянного сигнала
на разных доплеровских частотах. При этом при-
нятый радиотехнической системой сигнал пере-
стает быть стационарным, появляется изменчи-
вость во времени характеристик отраженного
сигнала. Изменчивость эта носит случайный ха-
рактер со своим законом распределения, момен-
ты которого необходимо знать для описания рас-
сеянного сигнала. Учитывая, что все характери-
стики, описывающие рассеянный сигнал, в случае
его нестационарности, вдобавок ко всему, будут
зависеть не только от времени, но и от длитель-
ности интервала наблюдения, процесс описания
такого сигнала существенно усложняется.
Усредненные характеристики обратного рас-
сеяния позволяют оценить только эффектив-
ность функционирования разрабатываемых радио-
технических систем в среднем. Но разработчи-
ков в большинстве случаев интересуют не ус-
редненные характеристики. Их интересуют ха-
рактеристики систем, полученные за конкретный
интервал времени, характерный для реальных ра-
диотехнических систем, решающих определен-
ные задачи. А это, как правило, интервалы вре-
мени от долей секунды до нескольких секунд.
В этом случае альтернативой описанию стати-
стическими характеристиками сигналов, отра-
женных растительностью, может быть их моде-
лирование, в результате которого формируют
сигнал с характеристиками, близкими к реаль-
ным (экспериментально полученным). В настоя-
щее время существует много моделей рассеяния
радиоволн растительностью. Но они позволяют
получать либо отдельные статистические харак-
теристики рассеяния [4, 5], либо в результате
моделирования синтезируют стационарный слу-
чайный процесс [6]. В исследуемом нами случае
сигнал носит явно нестационарный характер.
Поэтому необходимо создать модель рассеяния
радиоволн растительностью, которая будет фор-
мировать сигнал, представляющий собой не-
стационарный случайный процесс со статисти-
ческими характеристиками, которые совпадают
с экспериментально полученными.
Для создания такой модели необходимо знать
реальные характеристики рассеянного раститель-
ностью сигнала – закон распределения и его мо-
менты, мощность принятого сигнала, эффектив-
ную полосу частот, в которой сосредоточена эта
мощность, и, при необходимости, моменты более
высоких порядков. При этом нужно учитывать
влияние ветра и размеров участка поверхности
на характеристики рассеянного растительностью
сигнала. Участок с растительностью должен иметь
сравнительно небольшие размеры. Они должны
быть сравнимы с минимальными пространствен-
ными неоднородностями скоростей ветра, кото-
рые еще способны приводить в движение расти-
тельность. По нашим прикидкам площадь участ-
ка должна составлять примерно единицы квад-
ратных метров.
Целью работы является создание модели рас-
сеяния сантиметровых радиоволн от небольшого
участка растительности 2(1 2 м ),÷ обеспечиваю-
щей получение доплеровских сигналов, которые на
любом интервале времени наблюдения имеют ха-
рактеристики, близкие к экспериментальным.
Для достижения этой цели необходимо решить
следующие задачи:
1) анализ статистических характеристик экс-
периментальных доплеровских сигналов, получен-
ных в результате отражения сантиметровых ра-
диоволн небольшим участком растительности;
2) разработка и реализация алгоритмов моде-
лирования доплеровских сигналов, получаемых
в результате рассеяния сантиметровых радиоволн
378 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Г. Гутник, В. Н. Горобец, Ю. В. Гончаренко
небольшим участком поверхности с раститель-
ностью.
2. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå. Àíàëèç
Для получения характеристик рассеяния исполь-
зовались доплеровские сигналы, полученные
в процессе экспериментальных исследований об-
ратного рассеяния сантиметровых и миллиметро-
вых радиоволн сельскохозяйственными зерновы-
ми культурами (ячменем) под малыми (единицы
градусов) углами скольжения. В этих эксперимен-
тах записывались реализации доплеровских сиг-
налов длительностью по 15 мин с выхода двух РЛС
непрерывного излучения, трехсантиметрового
и восьмимиллиметрового диапазонов, при различ-
ных скоростях приповерхностного ветра. В обеих
РЛС с преобразованием отраженного сигнала
на нулевую промежуточную частоту используют-
ся простейшие фазовые детекторы, позволяющие
выделять информацию как об амплитуде отражен-
ного сигнала, так и о его фазе, в которой заложена
информация о скоростях отражателей. Подробно
работа такого детектора рассмотрена в [7].
В качестве объекта исследований использо-
вался небольшой участок поля, размерами
2 1м,× поросший практически созревшим
ячменем. Остальная растительность в радиусе
20 м была выкошена. Высота ячменя составляла
примерно 50 70÷ см. РЛС располагались на рас-
стоянии примерно 10 м от объекта исследований.
Совместно с записями сигналов, отраженных от
участка растительности, синхронно регистриро-
вались флуктуации скорости ветра над этим уча-
стком, получаемые с помощью термисторного
датчика скорости ветра. Средние значения ско-
ростей ветра в экспериментах составляли от 0
до 7 8÷ м/с с порывами до 15 20÷ м/с. В про-
цессе экспериментальных исследований для ка-
либровки уровня записывались сигналы, отражен-
ные от эталонного отражателя – латунного ша-
рика диаметром 60 мм, что позволило при обра-
ботке получить оценки удельной ЭПР раститель-
ности. Значение удельной ЭПР исследуемой
растительности в проведенном эксперименте со-
ставило –27 дБ/м2 в трехсантиметровом диа-
пазоне и –25 дБ/м2 в восьмимиллиметровом диа-
пазоне. Полученные значения удельной ЭПР удов-
летворительно совпадают с данными для по-
хожей растительности, приведенными в [1, 2].
Поскольку экспериментальные доплеровские сиг-
налы при различных скоростях ветра и в разных
диапазонах длин волн зондирующих сигналов
имеют разные интенсивности, для удобства про-
ведения их сравнительного анализа проводилась
нормировка мгновенных значений доплеровских
сигналов на их среднеквадратические значения,
полученные для всей 15-минутной длины записан-
ной реализации. Поэтому в дальнейшем в работе
все рассуждения, связанные с получением и ана-
лизом статистических характеристик, проводятся
для нормированных случайных сигналов.
Доплеровские сигналы от небольшого участка
растительности представляют собой случайные
процессы, закон распределения которых вполне
удовлетворительно описывается нормальным за-
коном с изменяющейся во времени дисперсией.
Пример гистограммы распределения мгновенных
значений доплеровского сигнала восьмимилли-
метрового диапазона ( )p x для реализации дли-
тельностью 5T = с при радиальной состав-
ляющей скорости ветра 5 м/с приведен на рис. 1.
Сплошной линией на рисунке нанесен нормаль-
ный закон распределения. Видно, что плотность
вероятности мгновенных значений для этой реа-
лизации удовлетворительно может быть описана
нормальным законом. Кроме того, были получе-
ны оценки 3-го и 4-го моментов закона распреде-
ления для нескольких реализаций, но они оказа-
лись малы. Анализ нормированных доплеровс-
ких сигналов трехсантиметрового и восьмимил-
лиметрового диапазонов от растительности при
радиальных скоростях ветра до 7 м/с для длин
реализаций от долей секунды до сотен секунд
показал, что доплеровские сигналы трехсанти-
метрового и восьмимиллиметрового диапазонов
от небольшого участка растительности можно
Рис. 1. Гистограмма распределения мгновенных значений
доплеровского сигнала
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 379
Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики...
считать реализациями случайных процессов с
нормальным законом распределения.
Важно отметить, что при этом исследуемые
доплеровские сигналы обладают рядом особен-
ностей.
1. Доплеровские сигналы имеют изменяющую-
ся во времени дисперсию. Причем изменчивость
дисперсии наблюдается как с изменением теку-
щего времени при постоянном времени анализа,
так при изменении времени анализа. На рис. 2
приведены экспериментально полученные зависи-
мости среднеквадратического отклонения диспер-
сии доплеровского сигнала, нормированного на
ее среднее значение, RS, от времени анализа, T.
Зависимости, приведенные на рис. 2, получены
следующим образом. Для оценки флуктуаций дис-
персии реализация сигнала длительностью 15 мин
разбивалась на отрезки, длительностью 0.1 с
(время анализа). Для каждого из этих отрезков
сигнала находились значение дисперсии сигнала
и ее среднеквадратическое отклонение, которое
затем нормировалось на среднее значение дис-
персии, полученное усреднением по всем анали-
зируемым интервалам длительностью 0.1 с для
всей длины записанного сигнала – 15 мин. Таким
же образом получены значения нормированного
среднеквадратического значения флуктуаций
дисперсии для времен анализа от 0.1 до 450 с при
разных значениях радиальной скорости ветра в
трехсантиметровом и восьмимиллиметровом
диапазонах волн зондирующего сигнала. Из рисун-
ка видно, что для времен анализа меньше 1 с
наблюдается сравнительно большой разброс дис-
персий сигналов, до 120 % от среднего значения
дисперсии, полученного для всей реализации дли-
тельностью 15 мин. С увеличением времени ана-
лиза значения нормированных флуктуаций дис-
персии доплеровского сигнала уменьшаются.
Для времен анализа более 100 с среднеквадрати-
ческое значение флуктуаций дисперсии не превы-
шает 10 % от ее среднего значения. Причем
можно сказать, что значение нормированных флук-
туаций дисперсии доплеровских сигналов практи-
чески не зависит от длины волны зондирующего
сигнала и от скорости приповерхностного ветра.
Исследуемый доплеровский сигнал от расти-
тельности можно представить как результат сум-
мирования мгновенных значений элементарных
сигналов от блестящих точек. Эти сигналы мо-
дулированы по фазе из-за хаотических колебаний
блестящих точек, обусловленных воздействием
на растительность ветра. Изменчивость диспер-
сии (мощности) суммарного доплеровского сиг-
нала может быть связана с тем, что наблюдает-
ся интерференция сигналов от блестящих точек,
количество которых на исследуемом участке
поверхности сравнительно небольшое. Кроме
того, это количество блестящих точек может
изменяться во времени за счет эффекта затене-
ния одних рассеивателей другими, что тоже мо-
жет привести к изменчивости во времени мощ-
ности доплеровского сигнала.
2. Второй характерной особенностью доплеров-
ских сигналов от небольшого участка раститель-
ности является то, что они имеют изменяющуюся
во времени ширину спектральных плотностей мощ-
ности, полученных за сравнительно короткие ин-
тервалы времени. Эта изменчивость хорошо ил-
люстрируется рис. 3, на котором представлена
спектрограмма реализации доплеровского сигна-
ла восьмимиллиметрового диапазона длительнос-
тью 100 с при радиальной составляющей скорости
ветра 5 м/с. Спектрограмма – это оконное преоб-
разование Фурье, при котором определяется спектр
произведения сигнала и некоторой оконной функ-
ции, локализованной на временной оси. Изменяя
положение этой оконной функции на временной оси
можно получать мгновенные спектры для отрез-
ков сигнала определенной длительности в разные
моменты времени. Эти спектры для отрезков сиг-
нала длительностью примерно 0.6 с в зависимос-
ти от времени представлены на рис. 3, где по оси
абсцисс отложено текущее время t в секундах, по
оси ординат – доплеровская частота ,dF а интен-
сивность спектральных составляющих представ-
Рис. 2. Среднеквадратическое отклонение дисперсии,
нормированное на ее среднее значение, в зависимости
от времени анализа
380 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Г. Гутник, В. Н. Горобец, Ю. В. Гончаренко
лена в оттенках серого. Чем темнее участок спек-
тра, тем больше его спектральная плотность.
При анализе нестационарных процессов с по-
мощью спектрограмм можно наблюдать измен-
чивость спектральных составляющих во време-
ни, выявлять спектральные особенности сигнала
и их положение во временной области. Из рис. 3
видно, что спектральные плотности мощности
доплеровского сигнала, полученные за время
анализа 0.6 с, в разные моменты времени имеют
различные полосы частот. Ширина спектров из-
меняется в пределах от 30 до 180 Гц. Это свиде-
тельствует о том, что в разные моменты време-
ни элементарные рассеиватели (блестящие точ-
ки) имели разные радиальные скорости переме-
щения, от 0 до 0.1 м/с для минимальной ширины
доплеровского спектра и до 0.6 м/с для макси-
мальной ширины доплеровского спектра.
На рис. 4 приведена зависимость скорости вет-
ра от времени, которая была записана синхронно с
записью доплеровского сигнала, спектрограмма
которого приведена на рис. 3. По оси ординат от-
ложены значения скорости ветра, нормированные
на ее среднее значение, ср ,V V по оси абсцисс –
текущее время. Ветер порывистый, радиальная
составляющая средней скорости – 5 м/с, поры-
вы – до 15 20÷ м/с. Полоса частот спектра флук-
туаций скорости ветра по уровню –3 дБ равна
2 Гц, а по уровню –10 дБ она равна 8 Гц.
Из сравнения зависимостей, приведенных на
рис. 3 и рис. 4, видно, что существенные расши-
рения доплеровских спектров наблюдаются, как
правило, при всплесках скорости ветра, превы-
шающих среднее значение в 1.5 и более раз.
Расширения спектров обусловлены колебаниями
отражателей под действием ветра с достаточно
большой амплитудой, которую можно оценить,
используя соотношения из теории фазовой моду-
ляции [8]. При таком виде модуляции ее индекс
определяется амплитудой колебаний элементар-
ного рассеивателя и не зависит от частоты его
колебаний, а ширина спектра этих колебаний оп-
ределяется произведением индекса модуляции на
максимальную частоту модуляции. Если в рас-
сматриваемом эксперименте предположить, что
для спектра шириной 200 Гц максимальная мо-
дулирующая частота равна 2 Гц, то в этом слу-
чае индекс фазовой модуляции в восьмимилли-
метровом диапазоне достигает значения 100 рад,
что соответствует значениям максимальной ам-
плитуды хаотических колебаний элементарных
рассеивателей, равным примерно 150 мм.
3. Ìîäåëüíûå ïðåäñòàâëåíèÿ.
Àëãîðèòì ìîäåëèðîâàíèÿ
íåñòàöèîíàðíîãî äîïëåðîâñêîãî ñèãíàëà
Полученные экспериментальные результаты и
проведенный анализ позволяют представить про-
цесс формирования доплеровского сигнала, отра-
женного небольшим участком поверхности с од-
нородной растительностью, в следующем виде.
Этот сигнал получается суммированием сигналов
от блестящих точек, случайным образом моду-
лированных по фазе. Сигнал, отраженный i-й бле-
стящей точкой, может быть представлен в виде:
0 0 0cos(2 ).i i iu U f t= π + ϕ
Амплитуды элементарных сигналов 0 ,iU отра-
женных блестящими точками, примерно равны
Рис. 3. Спектрограмма доплеровского сигнала восьми-
миллиметрового диапазона
Рис. 4. Скорость ветра, нормированная на среднее значе-
ние 5 м/с
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 381
Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики...
и могут быть случайными величинами со своими
законами распределения. Местоположение блес-
тящих точек на отражающем элементе поверх-
ности случайно, поэтому сигналы, отраженные от
них, имеют каждый свою случайную начальную
фазу 0 .iϕ Под воздействием ветра местоположе-
ние блестящих точек периодически меняется
относительно первоначального положения под
действием флуктуаций скорости ветра. Вследст-
вие чего сигнал, отраженный блестящими точка-
ми, приобретает модуляцию по фазе, вызванную
флуктуациями скорости ветра. Отсюда следует, что
для формирования доплеровского сигнала необхо-
димо иметь модулирующий сигнал, пропорцио-
нальный скорости ветра. Этот случайный сигнал,
нужной длительности, со своей спектральной плот-
ностью мощности флуктуаций, со средним значе-
нием, соответствующим заданной скорости ветра,
генерируется и запоминается на заданное время
синтеза всей реализации доплеровского сигнала.
Каждый сигнал от блестящей точки, имеющий неко-
торую несущую частоту 0 ,f модулируется по фазе
случайным модулирующим сигналом с амплиту-
дой, которая обеспечивает необходимый индекс
фазовой модуляции элементарного сигнала. Этот
сигнал может быть представлен в виде:
[ ]0 0 0 0 0cos 2 ( )2 ,i i i iu U f t v t t mV= π + ϕ + − π λ
где 02 mVπ λ – индекс фазовой модуляции моде-
лируемого сигнала; 0mV – максимальное значе-
ние отклонения местоположения блестящей точки
вдоль направления зондирования, 0V – средняя ско-
рость ветра, m – коэффициент пропорциональ-
ности; λ – рабочая длина волны РЛС; ( )v t =
0 0( )tV V V− – нормированные значения флуктуа-
ций скорости ветра в зависимости от времени,
tV – скорость ветра в зависимости от времени;
0 0 0( )i it R R V= − – временная задержка флуктуа-
ций скорости ветра, обусловленная разными рас-
стояниями блестящих точек от РЛС – ,iR 0R –
расстояние от РЛС до центра отражающего
участка поверхности. Параметр 0it позволяет учи-
тывать пространственную структуру флуктуаций
скорости ветра.
Сигналы со случайными начальными фазами,
отраженные от блестящих точек, модулирован-
ные по фазе флуктуациями скорости ветра с ин-
дексом модуляции, пропорциональным отклоне-
нию блестящей точки от первоначального поло-
жения под действием ветра, суммируются. Сум-
марный сигнал может быть представлен в виде:
1
,
n
i
i
u u
=
= ∑
где n – количество блестящих точек, изменяю-
щееся в процессе моделирования реализации доп-
леровского сигнала случайным образом в диапа-
зоне от минимального minn до максимального
maxn значений. Число этих точек должно быть
конечным, сравнительно небольшим и случайным
образом меняться во времени. Выбор количества
блестящих точек при моделировании, с одной сто-
роны, должен обеспечить нормальный закон рас-
пределения суммарного сигнала, для этого их дол-
жно быть как можно больше. С другой стороны,
небольшое количество блестящих точек способ-
ствует образованию ощутимых интерференцион-
ных минимумов и максимумов, кроме того, по-
вышается вклад каждой блестящей точки в сум-
марный сигнал.
Для получения доплеровского сигнала сум-
марный сигнал подвергается фазовому детекти-
рованию. В качестве опорного, используется сиг-
нал гетеродина с частотой 0.f Результатом фазо-
вого детектирования является доплеровский сиг-
нал, имеющий спектральные составляющие, амп-
литуды которых пропорциональны ЭПР блестящих
точек, а частоты пропорциональны скоростям их
радиальных перемещений. Затем определяется
среднеквадратическое значение этого сигнала
для всей длины синтезированной реализации и
на него нормируются все значения доплеровского
сигнала. После этого все значения нормированно-
го сигнала умножаются на величину, равную кор-
ню квадратному из ЭПР, которая берется из экс-
периментальных данных для заданной небольшой
площади 2(1 2 м )÷ растительности типа ячменя.
Алгоритм формирования нестационарного доп-
леровского сигнала можно реализовать многими
способами. На основе предложенного алгоритма
созданы программы, позволяющие формировать
нестационарный доплеровский сигнал, который
соответствует сигналу, отраженному от неболь-
шого участка растительности. Для получения
модельного доплеровского сигнала необходимо
задать следующие основные параметры: разме-
ры участка поверхности, длину волны РЛС, дли-
ну реализации моделируемого сигнала, среднюю
382 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Г. Гутник, В. Н. Горобец, Ю. В. Гончаренко
скорость ветра, закон распределения и спектраль-
ную плотность флуктуаций скорости ветра, закон
распределения местоположения блестящих точек,
минимальное и максимальное их количество,
закон распределения амплитуд сигналов, отражен-
ных блестящими точками.
Смоделированные для конкретных условий от-
ражения сигналы имеют примерно такие же харак-
теристики, как и экспериментальные сигналы, по-
лученные при тех же условиях, в частности, они
имеют такую же ширину доплеровского спектра.
Мгновенные значения модельных сигналов имеют
закон распределения, близкий к нормальному.
Для них наблюдаются характерные изменения дис-
персии (мощности) и ширины спектра во времени.
На рис. 5 приведены некоторые характеристики
доплеровского сигнала, сформированного на основе
приведенных модельных представлений и разрабо-
танного программного обеспечения. На рис. 5, а
приведена гистограмма распределения мгновенных
значений нормированного модельного доплеровс-
кого сигнала восьмимиллиметрового диапазона
длительностью 10 с при радиальной составляю-
щей скорости ветра 5 м/с. Сплошной линией на
рисунке нанесен нормальный закон распределения.
Сравнение зависимостей, приведенных на рис. 5, а
и рис. 1, свидетельствует о совпадении законов рас-
пределения мгновенных значений эксперименталь-
ных и модельных сигналов, а также о том, что эти
законы близки к нормальному закону.
На рис. 5, б приведены усредненные за время
100 с спектральные плотности мощности сигна-
лов как экспериментальных, так и сформирован-
ных на основе модельных представлений в зави-
симости от доплеровской частоты. Из рисунка
видно, что спектральные плотности мощности
экспериментальных сигналов практически не от-
личаются от спектров доплеровских сигналов,
сформированных на основе модельных представ-
лений. Единственное отличие – это наличие фоно-
вых составляющих с частотами 50, 60, 100, 150 Гц
в экспериментальных спектрах и в области допле-
ровских частот от 140 до 200 Гц. Это частоты
питающих напряжений и их гармоники, что явля-
ется недостатком используемой аппаратуры.
Учитывая изменчивость ширины мгновенных
доплеровских спектров и совпадение усреднен-
ных спектров, а также наличие флуктуаций мощ-
ности доплеровского сигнала и удовлетворитель-
ное совпадение законов распределения мгновен-
ных значений для сформированных и эксперимен-
тальных сигналов, можно сделать вывод, что
модель формирования доплеровского сигнала
и алгоритм ее реализации позволяют получать
доплеровские сигналы для заданных условий
с характеристиками, достаточно близкими к ха-
рактеристикам экспериментального сигнала, по-
лученного при тех же условиях.
4. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû
1. Получены и проанализированы статистические
характеристики доплеровских сигналов трехсан-
тиметрового и восьмимиллиметрового диапазонов,
рассеянных небольшим участком однородной рас-
тительности.
Рис. 5. Характеристики сформированного сигнала: а –
гистограмма распределения мгновенных значений нормиро-
ванного модельного доплеровского сигнала восьмимилли-
метрового диапазона; б – спектральные плотности мощности
экспериментальных и сформированных сигналов
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 383
Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики...
2. Показано, что мгновенные значения этих
сигналов имеют законы распределения, близкие
к нормальному закону.
3. Показано, что мгновенная мощность этих
сигналов изменяется во времени, причем диапа-
зон ее флуктуаций уменьшается по мере увели-
чения времени анализа.
4. Показано, что доплеровские сигналы имеют
изменяющуюся во времени ширину спектраль-
ной плотности мощности.
5. На основе анализа экспериментально полу-
ченных статистических характеристик предло-
жены модельные представления формирования
доплеровского сигнала небольшим участком ра-
стительности, объясняющие особенности экспе-
риментальных доплеровских сигналов.
6. Разработаны и реализованы алгоритм и про-
граммное обеспечение, позволяющие осуществ-
лять формирование нестационарного доплеровс-
кого сигнала для конкретных условий – заданных
длины волны зондирующего сигнала, размеров
отражающего участка, удельной ЭПР раститель-
ности, средней скорости ветра, длины реализации
формируемого доплеровского сигнала.
7. Характеристики сигнала, сформированного
для определенных условий, удовлетворительно
совпадают с характеристиками эксперименталь-
ного сигнала, полученного при тех же условиях.
5. Âûâîäû
В работе показано, что предложенная на основе
экспериментальных данных модель позволяет
формировать нестационарный доплеровский сиг-
нал с характеристиками, совпадающими с экспе-
риментальными. Этот сигнал может быть исполь-
зован при разработке различных радиотехничес-
ких систем для оценки их эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
01. Кулемин Г. П., Разсказовский В. Б. Рассеяние миллимет-
ровых радиоволн поверхностью Земли под малыми
углами. – Киев: Наук. думка, 1987. – 232 с.
02. Быстров Р. П., Потапов А. А., Соколов А. В. Милли-
метровая радиолокация с фрактальной обработкой /
Под ред Р. П. Быстрова и А. В. Соколова. – М.: Радио-
техника, 2005. – 368 с.
03. Гутник В. Г., Шарапов Л. И., Горобец В. Н., Гончарен-
ко Ю. В. Об эффективности доплеровской селекции
в коротковолновой части миллиметрового диапазона
радиоволн // Радиофизика и радиоастрономия. – 2009. –
Т. 14, № 1. – C. 66–76.
04. Распространение ультракоротких радиоволн / Пер. с англ.
под ред. Шиллерова. – М.: Сов радио, 1957. – 710 с.
05. Андрианов B. A., Арманд H. A., Кибардина И. Н. Рассея-
ние радиоволн подстилающей поверхностью с расти-
тельным покровом // Радиотехника и электроника. –
1976. – Т. 21, № 9. – C. 1816–1821.
06. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В., Горошко Е. А. Помехи
работе РЛС миллиметрового диапазона, создаваемые
отражениями от земной поверхности // Прикладная элек-
троника. – 2002. – Т. 1, № 1. – C. 15–24.
07. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. – М.:
Радио и связь, 1983. – 536 с.
08. Харкевич А. А. Спектры и анализ. – М.: Гос. изд. физ-
мат лит., 1962. – 236 с.
В. Г. Гутнік 1, В. М. Горобець 2, Ю. В. Гончаренко 2
1 Радіоастрономічний інститут НАН України,
вул. Червонопрапорна, 4, м. Харків, 61002, Україна
2 Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова
НАН України,
вул. Ак. Проскури, 12, м. Харків, 61085, Україна
РАДІОЛОКАЦІЙНІ ВІДБИТТЯ ВІД РОСЛИННОСТІ
У НВЧ ДІАПАЗОНІ. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА МОДЕЛЬНІ УЯВЛЕННЯ
Проаналізовано характеристики зворотного розсіяння сиг-
налів НВЧ діапазону рослинністю. Показано, що при порив-
частому вітрі радіолокаційні сигнали, відбиті від невеликих
ділянок рослинності є нестаціонарними – потужність від-
битого сигналу і його миттєві спектри залежать від часу.
Запропоновано і реалізовано алгоритм формування неста-
ціонарних доплерівських сигналів у НВЧ діапазоні. Показа-
но, що характеристики сигналу, сформованого для конкрет-
них умов, задовільно співпадають з характеристиками екс-
периментального сигналу, одержаного за тих самих умов.
V. G. Gutnik 1, V. M. Gorobets 2, Y. V. Goncharenko 2
1 Institute of Radio Astronomy, National Academy
of Sciences of Ukraine,
4, Chervonopraporna St., Kharkiv, 61002, Ukraine
2 A. Usikov Institute of Radio Physics and Electronics,
National Academy of Sciences of Ukraine,
12, Akad. Proskura St., Kharkiv, 61085, Ukraine
MICROWAVE RADAR SIGNAL REFLECTION
FROM VEGETATION. EXPERIMENTAL
CHARACTERISTICS AND MODELS
The characteristics of microwave backscattering from vegetation
are analyzed. It is shown that under fitful wind conditions
the microwave signals scattered from small patches of vegeta-
tion are unsteady. The total power of scattered signal and
its instantaneous spectrum strictly depends on time. The algo-
rithm for unsteady radar microwave signal creation is proposed
and actualized. It is shown that characteristics of signal, genera-
ted for particular conditions fairly agree with experimental sig-
nal characteristics obtained at the same conditions.
Статья поступила в редакцию 11.07.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100076 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1027-9636 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:25:13Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Радіоастрономічний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гутник, В.Г. Горобец, В.Н. Гончаренко, Ю.В. 2016-05-15T16:45:48Z 2016-05-15T16:45:48Z 2012 Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления / В.Г. Гутник, В.Н. Горобец, Ю.В. Гончаренко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 4. — С. 376-383. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100076 621.396.969 Проанализированы характеристики обратного рассеяния сигналов СВЧ диапазона растительностью. Показано, что при порывистом ветре радиолокационные сигналы, отраженные от небольших участков растительности, являются нестационарными – мощность отраженного сигнала и его мгновенные спектры зависят от времени. Предложен и реализован алгоритм формирования нестационарных радиолокационных сигналов в СВЧ диапазоне. Показано, что характеристики сигнала, сформированного для конкретных условий, удовлетворительно совпадают с характеристиками экспериментального сигнала, полученного при тех же условиях. Проаналізовано характеристики зворотного розсіяння сигналів НВЧ діапазону рослинністю. Показано, що при поривчастому вітрі радіолокаційні сигнали, відбиті від невеликих ділянок рослинності є нестаціонарними – потужність відбитого сигналу і його миттєві спектри залежать від часу. Запропоновано і реалізовано алгоритм формування нестаціонарних доплерівських сигналів у НВЧ діапазоні. Показано, що характеристики сигналу, сформованого для конкретних умов, задовільно співпадають з характеристиками експериментального сигналу, одержаного за тих самих умов. The characteristics of microwave backscattering from vegetation are analyzed. It is shown that under fitful wind conditions the microwave signals scattered from small patches of vegetation are unsteady. The total power of scattered signal and its instantaneous spectrum strictly depends on time. The algorithm for unsteady radar microwave signal creation is proposed and actualized. It is shown that characteristics of signal, generated for particular conditions fairly agree with experimental signal characteristics obtained at the same conditions. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Радиофизические аспекты радиолокации, радионавигации, связи и дистанционного зондирования Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления Радіолокаційні відбиття від рослинності у НВЧ діапазоні. експериментальні характеристики та модельні уявлення Microwave Radar Signal Reflection from Vegetation. Experimental Characteristics and Models Article published earlier |
| spellingShingle | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления Гутник, В.Г. Горобец, В.Н. Гончаренко, Ю.В. Радиофизические аспекты радиолокации, радионавигации, связи и дистанционного зондирования |
| title | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления |
| title_alt | Радіолокаційні відбиття від рослинності у НВЧ діапазоні. експериментальні характеристики та модельні уявлення Microwave Radar Signal Reflection from Vegetation. Experimental Characteristics and Models |
| title_full | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления |
| title_fullStr | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления |
| title_full_unstemmed | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления |
| title_short | Радиолокационные отражения от растительности в СВЧ диапазоне. Экспериментальные характеристики и модельные представления |
| title_sort | радиолокационные отражения от растительности в свч диапазоне. экспериментальные характеристики и модельные представления |
| topic | Радиофизические аспекты радиолокации, радионавигации, связи и дистанционного зондирования |
| topic_facet | Радиофизические аспекты радиолокации, радионавигации, связи и дистанционного зондирования |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100076 |
| work_keys_str_mv | AT gutnikvg radiolokacionnyeotraženiâotrastitelʹnostivsvčdiapazoneéksperimentalʹnyeharakteristikiimodelʹnyepredstavleniâ AT gorobecvn radiolokacionnyeotraženiâotrastitelʹnostivsvčdiapazoneéksperimentalʹnyeharakteristikiimodelʹnyepredstavleniâ AT gončarenkoûv radiolokacionnyeotraženiâotrastitelʹnostivsvčdiapazoneéksperimentalʹnyeharakteristikiimodelʹnyepredstavleniâ AT gutnikvg radíolokacíinívídbittâvídroslinnostíunvčdíapazoníeksperimentalʹníharakteristikitamodelʹníuâvlennâ AT gorobecvn radíolokacíinívídbittâvídroslinnostíunvčdíapazoníeksperimentalʹníharakteristikitamodelʹníuâvlennâ AT gončarenkoûv radíolokacíinívídbittâvídroslinnostíunvčdíapazoníeksperimentalʹníharakteristikitamodelʹníuâvlennâ AT gutnikvg microwaveradarsignalreflectionfromvegetationexperimentalcharacteristicsandmodels AT gorobecvn microwaveradarsignalreflectionfromvegetationexperimentalcharacteristicsandmodels AT gončarenkoûv microwaveradarsignalreflectionfromvegetationexperimentalcharacteristicsandmodels |