Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC

Оценено влияние многолучевого распространения мм и см радиоволн над морем на точность определения угла места маловысотного источника излучения методом спектрального оценивания root-MUSIC. Принимаемый сигнал моделировался по разработанной в последние годы методике расчета поля над неровной поверхност...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Радіофізика та електроніка
Date:	2011
Main Authors:	Разсказовский, В.Б., Логвинов, Ю.Ф., Педенко, Ю.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2011
Subjects:	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78063
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC / В.Б. Разсказовский, Ю.Ф. Педенко , А. Ю. Логвинов // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 3. — С. 34-42. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78063
record_format	dspace
spelling	Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф. Педенко, Ю.А. 2015-03-10T19:09:11Z 2015-03-10T19:09:11Z 2011 Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC / В.Б. Разсказовский, Ю.Ф. Педенко , А. Ю. Логвинов // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 3. — С. 34-42. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78063 621.396.965.8 Оценено влияние многолучевого распространения мм и см радиоволн над морем на точность определения угла места маловысотного источника излучения методом спектрального оценивания root-MUSIC. Принимаемый сигнал моделировался по разработанной в последние годы методике расчета поля над неровной поверхностью при сильных затенениях, применимой вплоть до нулевых углов скольжения. Ошибки определения угла места методом root-MUSIC сравниваются с полученными при измерении моноимпульсным и внеосевым методами. Отмечены преимущества метода root-MUSIC при углах места, составляющих десятые доли ширины диаграммы направленности пеленгационной антенны. Influence of multipath propagation microwaves over the sea on accuracy of measurement of elevation angle of lowlevel radiation source by a spectral estimation root-MUSIC algorithm is investigated. The received signal was modeled by the design procedure of a field developed during last years over a rough surface at strong shadowing, applicable up to zero sliding angles. Errors of measurement of an elevation angle achieved by root-MUSIC algorithm has been compared with monopulse and off-axes technique. Advantages of method root-MUSIC are noted at angles equal to some tenth of the direction-finding antenna pattern width. Оцінено вплив багатопроменевого поширення мм і см радіохвиль над морем на точність визначення кута місця маловисотного джерела випромінювання методом спектрального оцінювання root-MUSIC. Сигнал, що приймається, моделювався за розробленою останніми роками методикою розрахунку поля над нерівною поверхнею при сильних затіненнях застосовною аж до нульових кутів ковзання. Помилки визначення кута місця методом root-MUSIC порівнюються з отриманими при вимірі моноімпульсним і позаосьовим методами. Відмічено переваги методу root-MUSIC при кутах місця, що становлять десяті долі ширини діаграми спрямованості пеленгаційної антени. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC Multipath effect measurement of elevation angle of low-lewer radiation source using root-music algorithm Вплив багатопроменевого поширення радіохвиль на визначення кута місця маловисотного випромінювача методом root-MUSIC Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC
spellingShingle	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф. Педенко, Ю.А. Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
title_short	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC
title_full	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC
title_fullStr	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC
title_full_unstemmed	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC
title_sort	влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-music
author	Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф. Педенко, Ю.А.
author_facet	Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф. Педенко, Ю.А.
topic	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
topic_facet	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
publishDate	2011
language	Russian
container_title	Радіофізика та електроніка
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Multipath effect measurement of elevation angle of low-lewer radiation source using root-music algorithm Вплив багатопроменевого поширення радіохвиль на визначення кута місця маловисотного випромінювача методом root-MUSIC
description	Оценено влияние многолучевого распространения мм и см радиоволн над морем на точность определения угла места маловысотного источника излучения методом спектрального оценивания root-MUSIC. Принимаемый сигнал моделировался по разработанной в последние годы методике расчета поля над неровной поверхностью при сильных затенениях, применимой вплоть до нулевых углов скольжения. Ошибки определения угла места методом root-MUSIC сравниваются с полученными при измерении моноимпульсным и внеосевым методами. Отмечены преимущества метода root-MUSIC при углах места, составляющих десятые доли ширины диаграммы направленности пеленгационной антенны. Influence of multipath propagation microwaves over the sea on accuracy of measurement of elevation angle of lowlevel radiation source by a spectral estimation root-MUSIC algorithm is investigated. The received signal was modeled by the design procedure of a field developed during last years over a rough surface at strong shadowing, applicable up to zero sliding angles. Errors of measurement of an elevation angle achieved by root-MUSIC algorithm has been compared with monopulse and off-axes technique. Advantages of method root-MUSIC are noted at angles equal to some tenth of the direction-finding antenna pattern width. Оцінено вплив багатопроменевого поширення мм і см радіохвиль над морем на точність визначення кута місця маловисотного джерела випромінювання методом спектрального оцінювання root-MUSIC. Сигнал, що приймається, моделювався за розробленою останніми роками методикою розрахунку поля над нерівною поверхнею при сильних затіненнях застосовною аж до нульових кутів ковзання. Помилки визначення кута місця методом root-MUSIC порівнюються з отриманими при вимірі моноімпульсним і позаосьовим методами. Відмічено переваги методу root-MUSIC при кутах місця, що становлять десяті долі ширини діаграми спрямованості пеленгаційної антени.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78063
citation_txt	Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC / В.Б. Разсказовский, Ю.Ф. Педенко , А. Ю. Логвинов // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 3. — С. 34-42. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT razskazovskiivb vliâniemnogolučevogorasprostraneniâradiovolnnaopredelenieuglamestamalovysotnogoizlučatelâmetodomrootmusic AT logvinovûf vliâniemnogolučevogorasprostraneniâradiovolnnaopredelenieuglamestamalovysotnogoizlučatelâmetodomrootmusic AT pedenkoûa vliâniemnogolučevogorasprostraneniâradiovolnnaopredelenieuglamestamalovysotnogoizlučatelâmetodomrootmusic AT razskazovskiivb multipatheffectmeasurementofelevationangleoflowlewerradiationsourceusingrootmusicalgorithm AT logvinovûf multipatheffectmeasurementofelevationangleoflowlewerradiationsourceusingrootmusicalgorithm AT pedenkoûa multipatheffectmeasurementofelevationangleoflowlewerradiationsourceusingrootmusicalgorithm AT razskazovskiivb vplivbagatopromenevogopoširennâradíohvilʹnaviznačennâkutamíscâmalovisotnogovipromínûvačametodomrootmusic AT logvinovûf vplivbagatopromenevogopoširennâradíohvilʹnaviznačennâkutamíscâmalovisotnogovipromínûvačametodomrootmusic AT pedenkoûa vplivbagatopromenevogopoširennâradíohvilʹnaviznačennâkutamíscâmalovisotnogovipromínûvačametodomrootmusic
first_indexed	2025-11-24T21:06:14Z
last_indexed	2025-11-24T21:06:14Z
_version_	1850497552816799744
fulltext	ППООШШИИРРЕЕННННЯЯ РРААДДІІООХХВВИИЛЛЬЬ,, РРААДДІІООЛЛООККААЦЦІІЯЯ ТТАА ДДИИССТТААННЦЦІІЙЙННЕЕ ЗЗООННДДУУВВААННННЯЯ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 3 © ІРЕ НАН України, 2011 УДК 621.396.965.8 В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов, Ю. А. Педенко ВЛИЯНИЕ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА МЕСТА МАЛОВЫСОТНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ МЕТОДОМ ROOT-MUSIC Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: vadimr@ire.kharkov.ua Оценено влияние многолучевого распространения мм и см радиоволн над морем на точность определения угла места маловысотного источника излучения методом спектрального оценивания root-MUSIC. Принимаемый сигнал моделировался по разработанной в последние годы методике расчета поля над неровной поверхностью при сильных затенениях, применимой вплоть до нулевых углов скольжения. Ошибки определения угла места методом root-MUSIC сравниваются с полученными при измерении моноимпульсным и внеосевым методами. Отмечены преимущества метода root-MUSIC при углах места, составляющих десятые доли ширины диаграммы направленности пеленгационной антенны. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр.: 17 назв. Ключевые слова: мм и см радиоволны, многолучевое распространение, измерение угла места, спектральное оценива- ние, MUSIC. Проблема измерения угла места радио- локационных целей и излучателей над поверхно- стями моря и суши, когда существенное влияние оказывает многолучевое распространение радио- волн, известна по крайней мере с 1940-х гг. [1]. Результатом развития средств воздушного напа- дения за последние десятилетия стало появление летательных аппаратов, летящих на высотах до единиц метров. К таким, в частности, относятся многие классы противокорабельных ракет (ПКР), высота траектории которых на участке атаки составляет 3…7 м, например ПКР типов «Уран», «Москит», «Альфа» (Россия), «Exocet» (НАТО), а у некоторых, например «Gabriel» Mk3 (Изра- иль), – 1,5…4 м [2]. Соответственно, при таких же высотах должны работать и средства их унич- тожения. Одним из путей ослабления негативного влияния многолучевого распространения явилось укорочение длины радиоволн, используемых в таких системах [3, 4]. Это, во-первых, позволяет сузить диаграмму направленности антенны при приемлемых размерах ее апертуры; во-вторых, приводит к изменению структуры поля, отражен- ного поверхностью моря или суши: интенсивное квазизеркальное отражение разрушается неров- ностями поверхности раздела. Ей на смену при- ходит распределенное в пространстве диффузное, которое существенно слабее влияет на точность измерения направления на цель [5]. Однако ре- зультаты обширных теоретических и эксперимен- тальных исследований по этой проблеме, прове- денных в 1960–80 гг., показали, что при допусти- мом (с точки зрения обеспечения других тактико- технических характеристик) укорочении радио- волны не удается снизить ошибки измерения угла места до значений, существенно меньших единиц миллирадиан [6]. Они также показали, что из изу- чавшихся в те годы методов повышения точности измерения угла места, использующих антенны со сплошными апертурами, рядом преимуществ с точки зрения достижения повышения точности без коренных изменений типа антенной системы обладает так называемый внеосевой метод изме- рения [6, 7]. Прогресс в теории обработки радиолока- ционных сигналов и в технике создания фазиро- ванных антенных решеток дал толчок развитию новых методов разделения (разрешения) радио- локационных отражений от близко расположен- ных целей и сигналов, излучаемых одновременно несколькими источниками (первичными или вто- ричными); достаточно полный обзор работ этого направления приведен в статьях [8, 9]. Сложность технической реализации этих методов, в особен- ности в мм диапазоне, которая делает их экспе- риментальную проверку в широком диапазоне условий весьма дорогостоящей, по-видимому, является причиной отсутствия в доступной лите- ратуре публикаций о результатах их испытаний, повышая роль моделирования их функциониро- вания. В нашей работе описывается разработан- ная авторами методика и результаты моделирова- ния работы одного из методов определения угло- вой высоты точечного источника излучения над поверхностью со свойствами, соответствующими морской с ветровым волнением. Для исследования выбран метод root- MUSIC, имеющий согласно [9] ряд преимуществ при использовании одномерной антенной решетки. Его результаты пеленгования сравниваются с результатами, получаемыми в тех же условиях при использовании широко известных моно- импульсного и внеосевого методов измерения угла места. 1. Методика моделирования. Модели- рование пеленгования над морской поверхностью состояло из следующих этапов: В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 35 − моделирование формы морской поверхности при заданной скорости ветра над ней; − выделение вершин гребней волн, которые при выбранной для моделирования геометрии трассы (длина трассы, высоты корреспондирую- щих пунктов) находятся в освещенной области по отношению к обоим корреспондирующим пунк- там, вычисление их кривизны и определение их координат; − расчет для всех точек апертуры исследуемой пеленгационной антенны параметров электро- магнитных волн, переизлученных каждым греб- нем волны, который находится в освещенной об- ласти; − расчет комплексной амплитуды сигнала, создаваемого всеми переизлучающими гребнями в каждом элементе апертуры приемной пеленга- ционной антенны; − обработка комплексных амплитуд всех элементарных антенн, образующих антенную решетку пеленгационной антенны в соответст- вии с алгоритмами, реализующими методы MUSIC, моноимпульсный и внеосевой методы пеленгования. Метод моделировании поля над поверх- ностью моря подробно рассмотрен в работе [10]. Здесь отметим только следующие его особенности. Во-первых, он учитывает специфи- ку распространения мм и см радиоволн при очень малых высотах и углах скольжения, когда в пере- излучении участвуют только гребни волн, нахо- дящиеся в освещенной области пространства, т. е. не затенены другими элементами поверхности. Количество таких гребней является случайным и не слишком большим, по крайней мере, с точки зрения применимости к суммарному полю цент- ральной предельной теоремы теории вероятности. Во-вторых, при моделировании поля не исполь- зуются какие-либо гипотезы о статистических свойствах суммарного поля, в частности, о при- сутствии в нем когерентной с излученной пер- вичным источником составляющей. Гипотеза о присутствии такой составляющей переизлученно- го поля, как следует из [11], существенно влияет на статистические характеристики пеленгов. Трассы для моделирования были выбра- ны протяженностью D = 2 040 м, длина радио- волны λ = 8 мм. Высоты изотропного излучателя и центра апертуры пеленгационной антенны за- давались равными друг другу, 0RT hh = , и состав- ляющими 5, 10, 15 и 20 м. Именно для таких гео- метрий трассы выполнялся поиск освещенных участков морской поверхности с ветровыми волнами, выделение переизлучающих элементов, определение их координат и радиусов кривизны. Моделировались два состояния моря: слабого волнения (скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью около 4…5 м/с) и умеренного (скорость ветра 6…8 м/с). В модели считалось, что этим скоростям ветра соответствуют длины волн максимумов спектра mΛ = 20 м и mΛ = 40 м. Для каждой из указанных высот корреспонди- рующих пунктов и каждого значения длины вол- ны mΛ генерировалось 20 независимых двумер- ных (дальность–высота) реализаций формы по- верхности и производилось определение коорди- нат и радиусов кривизны гребней. Статистиче- ские свойства формы модельных поверхностей подробно рассмотрены нами в работе [10]. Здесь для использования при анализе укажем только, что число переизлучающих гребней, например при длине волны максимума спектра волнения mΛ = 40 м, лежит в среднем в пределах от 40 для 0RT hh = = 5 м до 140 при 0RT hh = = 20 м; «уко- рочение» длины mΛ до значения 20 м приводит к росту этих значений примерно в два раза. При моделировании предполагалось, что облу- чающее поле имеет линейную поляризацию либо в плоскости падающей волны (условно «верти- кальную»), либо ортогональную ей («горизон- тальную»). Поле, переизлученное каждой верши- ной волны, представлялось суммой двух цилинд- рических электромагнитных волн (моделировал- ся, как указывалось ранее, двумерный случай): краевой волны дифракции Френеля и отраженной от цилиндрической поверхности, являющейся границей воздух–вода; их поляризация в модели- руемом двумерном случае совпадает с поляриза- цией облучающего поля. Как и в [10], учитыва- лось влияние на локальные значения коэффи- циентов отражения и дифракции мелкомасштаб- ных неровностей; среднеквадратическое значение высоты этих неровностей hσ принималось рав- ным 0 («гладкие» волны), 0,01 и 0,02 м. Последующее моделирование поля в апер- турах пеленгационных антенн поясняется рис. 1, на котором T – точечный излучатель, )(nhR – вы- соты центров элементарных приемных антенн эквидистантной антенной решетки, наибольшее используемое число элементарных приемных антенн NA = 64. При таком выборе NA, исполь- зуемом для моделирования, разнесении этих антенн Ad = 0,025 м и апертуре каждой из них, равной этой же величине, наибольший модели- руемый размер по высоте составляет 1,6 м; при наиболее типичных апертурных функциях ему соответствует диаграмма направленности шириной около 6,5 мрад ≈ 0,37° ≈ 22′. Угол AΘ соответствует текущему направлению максимума диаграммы направленности синтезированной антенны (подробнее в разд. 2). В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 36 Ei( n )h T h R0 h R( n ) T E0( n ) ΘA D апертура пеленгационной антенны Рис. 1. Схема опыта Считалось, что каждая из 64 элементар- ных антенн имеет в вертикальной плоскости диа- грамму направленности формы функции Гаусса шириной около 23° по уровню половинной мощ- ности; это соответствует размеру апертуры, рав- ному расстоянию между соседними элементами 2,5 см на волне 8 мм и распределению поля в апертуре в соответствии с функцией Хемминга. Такой подход, во-первых, отвечает реальным конструкциям антенн этого диапазона, во-вто- рых, такие направленные свойства элементар- ных антенн позволяют существенно ослабить прием от одиночных больших гребней вблизи от пеленгатора. В каждую точку приема приходят поля цилиндрических волн от следующих источников: − невозмущенная волна 0Ê , поступающая не- посредственно от излучателя; − волны iE , переизлученные каждым из осве- щенных гребней с комплексными амплитудами и направлениями прихода, которые зависят от координат точек переизлучения, кривизны по- верхности в них и поляризации поля, а также от координат излучателя и приемной антенны. Расчет комплексных амплитуд учитывает механизм переизлучения каждой из волн (дифрак- ция и отражение), влияние поляризации – мето- дика расчета подробно описана в работе [10]. Отметим одну важную особенность ее примене- ния в данной работе, позволяющую в десятки и сотни раз уменьшить затраты машинного време- ни на моделирование. Она состоит в использова- нии допущения, что для всех 64 точек приема, находящихся на разной высоте в пределах ± 0,8 м от центра на высоте 0Rh , координаты всех переиз- лучающих точек поверхности считаются неизмен- ными, такими же, как для точки на высоте 0Rh . Избыточное количество точек, для кото- рых выполняется расчет поля (64 при апертуре из 32 точек), позволяет оценивать при необходимос- ти спектр плоских волн в месте размещения пе- ленгационной антенны с вдвое более высоким угловым разрешением, чем у основной антенны. 2. Результаты моделирования. Первич- ными результатами моделирования, базой для последующих оценок характеристик пеленгова- ния, всеми исследуемыми методами служат зна- чения комплексных амплитуд принятых сигналов в функции номера элементарной приемной ан- тенны n, характеризующие изменения амплитуды принимаемого сигнала по апертуре антенной ре- шетки; примеры таких данных для случайно вы- бранных комплектов показаны на рис. 2. 4.4 4.8 5.2 5.6 Высота элементов апертуры приемной антенны, м 1 3 4 2 , , , , а) 19.2 19.6 20 20.4 20.8 Высота элементов апертуры приемной антенны, м 1 2 4 3 , , , , б) Рис. 2. Нормированная амплитуда поля в апертуре приемной антенны: а) – 0Rh = 5 м; б) – 0Rh = 20 м Приведенные на нем данные относятся к mΛ = 40 м (умеренное волнение) и двум крайним значениям высот корреспондирующих пунктов: наименьшей из исследуемых высот – высоте 5 м (рис. 2, а) и наибольшей – 20 м (рис. 2, б); для большей наглядности значения, полученные при одинаковых условиях, соединены отрезками пря- мых. На этих рисунках сплошные линии 1 и 2 относятся к случаю соответственно горизонталь- ной и вертикальной поляризаций в отсутствие мелкомасштабных неоднородностей, штриховые линии 3 и 4 соответствуют тем же поляризациям, но при hσ = 0,02 м. 4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 4,4 4,8 5,2 5,6 Высота элементов апертуры приемной антенны, м Н ор ми ро ва нн ая а мп ли ту да п ол я 2 3 1 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 Н ор ми ро ва нн ая а мп ли ту да п ол я 19,2 19,6 20,0 20,4 20,8 Высота элементов апертуры приемной антенны, м 2 1 3 4 Апертура пеленгационной антенны Ei(n) E0(n) h R (n ) h R 0 h T T D ΘA В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 37 Из графиков видно существование ха- рактерных для распространения над шерохова- той поверхностью раздела пространственных флуктуаций амплитуды поля в функции высоты точки наблюдения. При высоте корреспонди- рующих пунктов 5 м высотные зависимости ам- плитуды поля практически совпадают для обеих поляризаций поля, а также для случаев поверхно- стей гладкой и с мелкомасштабными неровно- стями hσ = 0,02 м. Это объясняется малыми угла- ми скольжения облучающего поля относительно поверхности раздела в точках отражения или ди- фракции [1, 6]. При 0RT hh = = 20 м углы сколь- жения становятся сравнимыми с углом Брюстера, а параметр шероховатости Рэлея возрастает до значений, близких к единице. Следствием этого является уменьшение глубины флуктуаций ам- плитуд при вертикальной поляризации и при на- личии мелкомасштабных неровностей поверхнос- ти («ряби»). Наглядно представить влияние на работу радиосистемы пространственной структуры поля над поверхностью позволяет анализ угловых спектров плоских волн [12]. Он показывает, как распределена по углам прихода в вертикальной плоскости амплитуда плоских волн, формирую- щих рассматриваемую зависимость комплексной амплитуды поля от высоты. Форма углового спектра с точностью до постоянного множителя совпадает с угловой зависимостью амплитуды выходного сигнала антенны в функции угла на- клона максимума ее синтезированной диаграммы направленности Θ А. На рис. 3, 4 приведены примеры угловых спектров для тех же сочетаний параметров, что и на рис. 2 при использовании как 64-элементной антенны так и 32-элементной. На рис. 3 показан угловой спектр при количестве элементов AN = 64 для высоты корреспондирующих пунк- тов 5 м (рис. 3, а, б) и 20 м (рис. 3, в, г). Кривая 1 показывает угловой спектр в отсутствие пере- излучающей поверхности моря, т. е. фактически форму диаграммы направленности 64-элементной антенны. Кривая 2 представляет случай горизон- тальной поляризации и идеально гладкой поверх- ности моря, т. е. когда hσ = 0 м; кривая 3 – та же поляризация при hσ = 0,02 м; кривая 4 – верти- кальная поляризация и гладкая поверхность; кри- вая 5 – вертикальная поляризация при hσ = 0,02 м. На рис. 3, б те же зависимости приведены в более крупном масштабе по оси абсцисс, стрелками на ней отмечены значения углов, соответствующих направлению на центр трассы. Рис. 3, в, г пред- ставляет такие же зависимости при высоте кор- респондирующих пунктов 20 м. 0 100 200 300 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 5 4 3 а) -20 0 20 40 60 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 3 4 5 б) 0 100 200 300 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 3 4 5 в) -20 0 20 40 60 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 3 4 5 г) Рис. 3. Угловые спектры плоских волн для антенны из 64 элементов Аналогичный комплект зависимостей для антенны, состоящей из 32 элементов и, соответст- А мп ли ту да , д Б 4 0 100 200 300 ΘА, мрад 0 –10 –20 –30 –40 –50 3 2 1 5 –20 0 20 40 60 ΘА, мрад А мп ли ту да , д Б 0 –10 –20 –30 –40 –50 1 5 3 2 4 0 –10 –20 –30 –40 –50 0 100 200 300 ΘА, мрад А мп ли ту да , д Б 2 3 4 5 –20 0 20 40 60 ΘА, мрад А мп ли ту да , д Б 0 –10 –20 –30 –40 –50 2 4 3 5 1 В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 38 венно, имеющей вдвое худшее угловое разреше- ние, представлен на рис. 4. Анализ приведенных на рис. 3 и 4 зависимостей показывает следующее: • 64-элементная антенна с апертурой 1,6 м при высоте корреспондирующих пунктов 20 м обеспечивает достаточно четкое выделение сиг- нала источника излучения, в то же время при 32-элементной антенне основной лепесток сли- вается с соседним, а максимум такого суммарно- го лепестка существенно смещен по отношению к направлению на излучатель. • При высоте корреспондирующих пунк- тов 5 м 64-элементная антенна обеспечивает час- тичное выделение основного лепестка, но макси- мум его существенно смещен по отношению к точному направлению, 32-элементная антенна формирует сильно искаженный интерференцией лепесток. • Сравнение угловых спектров с модель- ными параметрами переизлучающих гребней на морской поверхности показывает, что количество максимумов угловых спектров значительно мень- ше числа переизлучателей и их максимумы не соответствуют направлениям на последние, т. е. угловой спектр отображает результат интер- ференции многих переизлученных сигналов. • Из формы угловых спектров хорошо видно, что поляризация и мелкомасштабные не- ровности наиболее сильно влияют на переизлуче- ние участков морской поверхности, направления на которые образуют значительные углы с по- верхностью; это свойство ярко проявилось на рис. 3, в, 4, в, где амплитуда переизлучения из области, соответствующей углам наблюдения 200…240 мрад (11,5…14°) уменьшилась более чем на 20 дБ. • Из рис. 3 и 4 видно, что при рассматри- ваемых высотах корреспондирующих пунктов, длине трассы, длине волны и размерах апертуры антенн формирование сигнала главного лепестка углового спектра происходит в результате сум- мирования переизлучения практически от поло- вины прилежащей к источнику излучения трассы, в которую входят десятки гребней волн, являю- щихся точечными вторичными источниками излучения. Из графиков видно, что при высоте корреспондирующих пунктов 20 м (угловая высо- та 10 мрад) как 64, так и 32-элементные антенны обеспечивают достаточно уверенное выделение прямой волны источника на фоне волн, пере- излученных гребнями на поверхности. При вы- соте источника и пеленгатора 5 м (угловая вы- сота 2,5 мрад), как показывает анализ всех мо- дельных данных, при 64-элементной антенне при- мерно в 50 % случаев можно говорить о надежном наблюдении основного максимума; при 32-эле- ментной антенне в большинстве случаев он не имеет четко выраженной границы с отражениями от поверхности. 0 100 200 300 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 5 4 3 2 1 а) -20 0 20 40 60 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 5 3 4 б) 0 100 200 300 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 3 4 5 в) -20 0 20 40 60 ΘA, мрад -50 -40 -30 -20 -10 0 А м пл ит уд а, д Б 1 2 3 4 5 г) Рис. 4. Угловые спектры плоских волн для антенны из 32 элементов 0 100 200 300 ΘА, мрад 0 –10 –20 –30 –40 –50 А мп ли ту да , д Б 5 2 3 4 1 0 –10 –20 –30 –40 –50 А мп ли ту да , д Б 0 100 200 300 ΘА, мрад 5 4 1 2 3 –20 0 20 40 60 ΘА, мрад 5 0 –10 –20 –30 –40 –50 А мп ли ту да , д Б 1 3 4 2 –20 0 20 40 60 ΘА, мрад 0 –10 –20 –30 –40 –50 А мп ли ту да , д Б 5 3 42 1 В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 39 Уменьшение интенсивности переизлуче- ния поверхностью при появлении мелкомасштаб- ных неровностей при такой высоте излучателя и пеленгатора также выражена достаточно четко. Выбранные для моделирования парамет- ры трассы, длина волны и размеры антенны по- зволяют охватить исследованиями основные представляющие практический интерес области угловых высот над поверхностью моря: − область «умеренного» влияния многолуче- вого распространения, для которых угловая высо- та источника TΘ над средним уровнем моря ле- жит в пределах 5,05,0 2 1 Θ≥Θ≥Θ T , где D hT T =Θ ; − область сильного влияния многолучевого распространения, для которой 5,02 1 Θ<ΘT . В нашем случае ширина диаграммы на- правленности антенны 5,0Θ ≈ 13 мрад ≈ 0,74° ≈ 45′, D = 2 040 м, следовательно, границе между уме- ренным и сильным влиянием соответствует высо- та около 13 м. Естественно, эта граничная высота является условной, зависящей от выбора крите- риев сильного и умеренного влияния и характе- ристик морского волнения. Таким образом, вы- бранные для моделирования значения высот при- мерно соответствуют: − высоты 5 и 10 м – области сильного влия- ния многолучевого распространения; − высоты 15 и 20 м – области умеренного влияния. 3. Результаты моделирования ошибок пеленгования. При моделировании измерений углов использовалась разновидность метода MUSIC, известная под названием метод корней MUSIC (root-MUSIC) [9]. При измерении углов места такой вариант является более удобной альтернативой поиску максимумов углового спектра [13] благодаря сокращению количества вычислений. При использовании этого метода сущест- вует проблема выбора исходных параметров, влияющих в конечном итоге на точность измере- ний. Это относится к заданию количества пространственных выборок поля принимаемого сигнала SN , размерности подпространства сигна- лов M , размера и типа автокорреляционной мат- рицы, составленной на основе полученных выбо- рок сигнала. Применительно к задаче измерения углов места над шероховатой поверхностью раз- дела методика выбора этих параметров в опубли- кованной литературе отсутствует и требует спе- циального исследования. Моделирование в дан- ной работе проводилось при следующих сочета- ниях указанных параметров: 3,16 == MNS , раз- мер автокорреляционной матрицы принимаемых сигналов – 4×4. По предварительным исследова- ниям эти параметры оказались наиболее оправ- данными. Использовались значения сигнала в 32 со- седних элементарных антеннах, попарно сум- мированных для получения заданного количества ( 16=SN ) пространственных выборок. Ширина диаграммы направленности, формируемой 32-эле- ментной апертурой, составляет, как сказано вы- ше, 13 мрад. Это значение используется в даль- нейшем для нормировки углов места и ошибок их измерения. Данные, приведенные ниже, получены с использованием модифицированной формы авто- корреляционной матрицы [14]. Она, как показали наши исследования, обеспечивает более точные оценки углов места при различных сочетаниях исходных параметров. Серьезной проблемой при использовании метода MUSIC является проблема выбора из нескольких решений M (которое заведомо суще- ственно меньше количества реальных точечных переизлучателей) того, которое в дальнейшем счи- тается соответствующим источникам излучения. Особенно остро эта проблема проявляет себя при углах места цели менее 0,5 5,0Θ , когда появляют- ся ложные решения с углом места выше направ- ления на излучатель. Нами предложены и опро- бованы три следующих варианта выбора: − излучателю соответствует угол места, кото- рый имеет наибольшее значение из найденных; − излучателю соответствует угол места сигна- ла, обладающего наибольшей мощностью; − излучателю соответствует угол места, кото- рый наименее отличается от значения 0,5 5,0Θ . Как показало предварительное модели- рование с использованием данных поля сигналов, первые два варианта выбора удовлетворительно работают лишь при относительно больших углах места (более 0,5 5,0Θ ). Аналогичные выводы были получены и в нашей работе [15], выполненной на основе модели поля [16], в основу которой были положены результаты работ Бартона [6]. Наи- лучшие же результаты были получены с исполь- зованием третьего способа, поэтому он и был ис- пользован при моделировании. Результаты расчетов ошибок измерения угла места с использованием метода root-MUSIC иллюстрируется рис. 5, при этом рис. 5, а дает наглядное представление о разбросе значений этих ошибок. Результаты расчетов для каждой из высот источника излучения показаны в виде группы, состоящей из 6 столбиков. Каждый из них содержит результаты, полученные с исполь- зованием параметров, приведенных в таблице (нумерация столбиков в каждой группе осущест- В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 40 вляется слева направо). В таблице использованы условные обозначения: Г – горизонтальная, В – вертикальная поляризация. Рис. 5. Ошибки метода root-MUSIC: а) − разброс ошибок; б) – средние значения ошибки; в) – среднеквадратические от- клонения ошибок; г) – среднеквадратические значения ошибок Параметры моделирования № столбика 1 2 3 4 5 6 Поляризация Г Г Г В В В ,hσ м 0 0,01 0,02 0 0,01 0,02 Каждая точка соответствует одной реа- лизации поверхности, а всего при каждом значе- нии высоты использовались 20 независимых реа- лизаций. Видно, что при всех высотах корреспон- дирующих пунктов отдельные выбросы превы- шают 0,15 5,0Θ , хотя наиболее вероятные значе- ния лежат в существенно более узкой области. Самые неблагоприятные условия соответствуют работе на горизонтальной поляризации над глад- кой поверхностью. Представление о количественных харак- теристиках ошибок дают рис. 5, в, г, на которых в виде столбиковых диаграмм представлены сред- ние значения, среднеквадратические отклонения и среднеквадратические значения ошибок, нор- мированные на 5,0Θ . Позиции столбиков имеют тот же смысл, что и на рис. 5, а. Из рис. 5, г вид- но, что среднеквадратические значения ошибок даже в самом неблагоприятных условиях работы не превышают 0,08 5,0Θ , при вертикальной поля- ризации сигнала, высотах корреспондирующих пунктов более 10 м и наличии мелкомасштабных неровностей ошибки, в основном, не превышают 0,03…0,04 5,0Θ . Ошибки оценивания угла места методом root-MUSIC сравнивались с ошибками тради- ционных методов, моноимпульсного и внеосевого, полученными в тех же условиях. Значения оши- бок рассчитывались по тем же зависимостям сиг- налов от координат элементов приемной антен- ной решетки, что и рассмотренные ранее. В пре- делах 32-элементной антенны формировались две парциальные 28-элементные антенны, фазовые центры которых были смещены по высоте отно- сительно друг друга на 7,5 см. Суммирование сигналов в каждой из этих антенн осуществля- лось с параболической оконной функцией ( ) .27...0, 2 21 2 3 2 = ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − −= nN Nn nf a a Согласно [17] при ее использовании уро- вень первого бокового лепестка составляет –24,6 дБ, а ширина главного лепестка по уровню –3 дБ рав- на AL λ27,1 , где 28=AN – число элементов ан- тенны; AL – вертикальный размер апертуры, в нашем случае AL = 0,7 м. По разности фаз суммарных выходных сигналов виртуальных антенн вычислялось уг- ловое отклонение измеренного направления на источник излучения от точного. При этом ис- пользовалось два варианта ориентации макси- мумов их диаграмм направленности. При первом условно именуемым вариантом пеленгования оси ориентировались горизонтально, т. е. парал- лельно точному направлению на излучатель. При втором варианте, соответствующем внеосе- вому пеленгованию, максимумы отклонялись вверх на угол около 8 мрад, при котором прием сигала излучателя в условиях свободного про- странства ослаблялся примерно на 3 дБ. Это достигалось путем введения в сигналы элемен- тов антенной решетки фазового сдвига, линейно меняющегося вдоль апертуры. В измеренное по разности фаз направление прихода волны вноси- лась коррекция на этот угол наклона. Результаты моделирования ошибок измерения угла места этими методами иллюстрируются рис. 6 и 7, ана- логичными по способу графического представле- ния данных рис. 5. В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 41 Рис. 6. Ошибки моноимпульсного метода: а) – разброс оши- бок; б) – средние ошибки; в) – среднеквадратические откло- нения ошибок; г) – среднеквадратические значения ошибок Рис. 7. Ошибки внеосевого метода: а) – разброс ошибок; б) – средние ошибки; в) – среднеквадратические отклонения ошибок; г) – среднеквадратические значения ошибок На рис. 6, б–г и 7, б–г приведены стол- биковые диаграммы численных значений оши- бок, аналогичных рис. 5, б–г. Из сравнения гра- фиков видно, что в области наиболее сильного влияния поверхности раздела измерения коор- динат (высота корреспондирующих пунктов 5 м) метод root-MUSIC превосходит по точности вне- осевой почти в два раза, а он, в свою очередь, примерно в два раза точнее простого моно- импульсного. При большей высоте точности первых двух методов практически одинаковы, не считая более резкого влияния на ошибки метода root- MUSIC возрастания интенсивности отражений от поверхности моря при горизонтальной поляриза- ции и в отсутствие на ней ряби. При использовании простого моно- импульсного измерения ошибки в 2−4 раза пре- вышают имеющие место при применении двух других, рассмотренных выше способов пеленго- вания. Выводы. Приведены результаты моде- лирования влияния многолучевого распростране- ния радиоволн над поверхностью моря на ошибки измерения угла места маловысотных источников излучения тремя современными методами пелен- гования. При моделировании поля над поверх- ностью использовалась модель, которая учитывала влияние всех переизлучающих элементов по- верхности и механизмы переизлучения, дейст- вующие при малых углах скольжения. Такой подход позволил отказаться от используемых при статистическом моделировании гипотезы о при- сутствии в переизлученном поле когерентной составляющей. В результате расчетов установлено: − в области сильного влияния многолучевого распространения, соответствующей угловым высотам менее полуширины диаграммы направ- ленности пеленгационной антенны, применение метода спектрального оценивания root-MUSIC позволяет примерно в два раза повысить точ- ность измерения угла места по сравнению с ме- тодом внеосевого сопровождения, который, в свою очередь, примерно в два раза точнее моно- импульсного; − в области умеренного влияния многолучево- го распространения (угловая высота излучателя более полуширины диаграммы направленности и менее удвоенного ее значения) точности двух первых методов (root-MUSIC и внеосевой) прак- тически совпадают и в 3−4 раза превосходят точ- ность простого моноимпульсного. Полученные результаты позволяют раз- работчикам более полно представлять преиму- щества и недостатки рассмотренных методов измерения угла места маловысотных источников излучения и радиолокационных целей, сравнивая их не только по достижимой точности, но и по сложности их технической реализации. В. Б. Разсказовский и др. / Влияние многолучевого распространения… _________________________________________________________________________________________________________________ 42 1. Керр Д. Е. Распространение ультракоротких радиоволн / Д. Е. Керр; пер. с англ. под ред. Б. А. Шиллерова. – М.: Сов. радио, 1954. – 711 с. 2. Противокорабельные системы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/URL: http://eng.ship.bsu.by. – Загл. с экрана. 3. Ракетно-артиллерийский комплекс «Каштан» [Электрон- ный ресурс]. – Режим доступа: www/URL: http://www.pvo. guns.ru/naval/kashtan-m.htm. – Загл. с экрана. 4. Корабельный ЗРК «Кроталь» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/URL: http://www.warships.ru/France/ Weapons/Crotale. – Загл. с экрана. 5. Разсказовский В. Б. Радиолокационное сопровождение мало- высотных целей над поверхностью моря / В. Б. Разсказов- ский, Ю. А. Педенко // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2006. – 11, № 3. – С. 377–384. 6. Бартон Д. Радиолокационное сопровождение целей при малых углах места / Д. Бартон // Тр. Ин-та инж. по электро- технике и радиоэлектрон. – 1974. – 62, № 9. – С. 37–61. 7. Леонов А. И. Моноимпульсная радиолокация / А. И. Лео- нов, К. И. Фомичев. – М.: Радио и связь, 1984. – 312 с. 8. Комбинированные пеленгаторы точечных источников шумовых излучений на основе адаптивных решетчатых фильтров / Д. И. Леховицкий Д. В. Атаманский, В. В. Джус, Г. А. Жуга // II Междунар. радиоэлектрон. форум. При- кладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы раз- вития [Электронный ресурс]. – Х., 2005. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Загл. с этикетки диска. 9. Дрогалин В. В. Алгоритмы оценивания угловых координат источников излучений, основанные на методах спек- трального анализа / В. В. Дрогалин, В. И. Меркулов, И. Б. Родзивилов и др. // Успехи современной радио- электрон. – 1998. – № 2. – С. 3–17. 10. Разсказовский В. Б. Эвристическая модель поля миллимет- ровых и сантиметровых радиоволн над взволнованной мор- ской поверхностью при сильных затенениях / В. Б. Разска- зовский, Ю. Ф. Логвинов // Радиофизика и электрон. – 2010. – 1(15), № 4. – C. 23–31. 11. Чаевский Е. В. Статистические свойства потоков энергии, создаваемых случайными источниками и системой слу- чайных излучателей / Е. В. Чаевский // Укр. физ. журнал. – 1968. – 13, № 4. – С. 670–678. 12. Рытов С. М. Введение в статистическую радиофизику / С. М. Рытов. – М.: Наука, 1966. – 404 с. 13. Нечаев Ю. Б. Методы быстрого поиска максимума на пеленгационном рельефе / Ю. Б. Нечаев, С. А. Зотов // Изв. вузов. Радиоэлектрон. – 2010. – 53, № 1. – С. 20–25. 14. Марпл С. Л. Цифровой спектральный анализ и его прило- жения / С. Л. Марпл; пер. с англ. под ред. И. С. Рыжака. – М.: Мир, 1990. – 584 с. 15. Педенко Ю. А. Особенности использования метода MUSIK для измерения угла места маловысотных целей над взволнованной поверхностью моря / Ю. А. Педенко // Радиофизика и электрон. – 2010. – 1(15), № 3. – С. 65–70. 16. Разсказовский В. Б. Модель поля миллиметровых и санти- метровых волн над морем для исследования измерения углов места низколетящих целей / В. Б. Разсказовский, Ю. А. Педенко // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2003. – 8, № 1. – C. 22–33. 17. Сколник М. Справочник по радиолокации: в 4 т. Т 2. Радиолокационные антенные устройства / М. Сколник; пер. с англ. под ред. К.Н. Трофимова. – М.: Сов. радио, 1977. – 406 с. V. B. Razskazovskiy, Yu. F. Logvinov, Yu. A. Pedenko MULTIPATH EFFECT ON MEASUREMENT OF ELEVATION ANGLE OF LOW-LEVEL RADIATION SOURCE USING ROOT-MUSIC ALGORITHM Influence of multipath propagation microwaves over the sea on accuracy of measurement of elevation angle of low- level radiation source by a spectral estimation root-MUSIC algo- rithm is investigated. The received signal was modeled by the design procedure of a field developed during last years over a rough surface at strong shadowing, applicable up to zero sliding angles. Errors of measurement of an elevation angle achieved by root-MUSIC algorithm has been compared with monopulse and off-axes technique. Advantages of method root-MUSIC are noted at angles equal to some tenth of the direction-finding antenna pattern width. Key words: millimeter radio waves, multipath, eleva- tion angle measurement, spectral estimation, MUSIC. В. Б. Разсказовський, Ю. Ф. Логвинов, Ю. О. Педенко ВПЛИВ БАГАТОПРОМЕНЕВОГО ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ НА ВИЗНАЧЕННЯ КУТА МІСЦЯ МАЛОВИСОТНОГО ВИПРОМІНЮВАЧА МЕТОДОМ ROOT-MUSIK Оцінено вплив багатопроменевого поширення мм і см радіохвиль над морем на точність визначення кута місця маловисотного джерела випромінювання методом спект- рального оцінювання root-MUSIC. Сигнал, що приймається, моделювався за розробленою останніми роками методикою розрахунку поля над нерівною поверхнею при сильних заті- неннях застосовною аж до нульових кутів ковзання. Помилки визначення кута місця методом root-MUSIC порівнюються з отриманими при вимірі моноімпульсним і позаосьовим мето- дами. Відмічено переваги методу root-MUSIC при кутах місця, що становлять десяті долі ширини діаграми спрямованості пеленгаційної антени. Ключові слова: мм та см радіохвилі, багатопроме- неве поширення, вимір кута місця, спектральне оцінювання, MUSIC. Рукопись поступила 15.04.11 г.

Влияние многолучевого распространения радиоволн на определение угла места маловысотного излучателя методом root-MUSIC

Institution

Similar Items