1.Основные проблемы высокоинформативной локации

1.1. Моделирование методов высокоинформативной локации

Одной из наиболее важных задач высокоинформативной локации (в частности, радиолокации) является формирование локационного изображения (ЛИ) объектов, под которым понимают пространственное распределение физических характеристик этих объектов, получаемое в результате анализа рассеянного ими электромагнитного поля. Информация о локационном изображении содержится в локационном сигнале неявно. Современный этап развития радиолокации характеризуется стремлением получить максимум информации из данных локационного зондирования, которые полностью определяются частотными, амплитудно-фазовыми, поляризацион-ными и угловыми характеристиками отражённого сигнала.

В процессе локации важно определить как номенклатуру, так и количественные параметры функциональных элементов изучаемых объектов, их взаимное расположение в пространстве. Поскольку структура объектов трёхмерна, то общая идея высокоинформативной локации сводится к последовательному анализу сечений. Процедура поиска и идентификации функциональных элементов объекта локации основывается на выявлении различий в характеристиках объекта и сопровождающего его фона. Анализ этих различий позволяет провести обнаружение объекта. Установление различий может осуществляться путём регистрации изменений амплитуды, фазы, частоты, поляризации и направления распространения радиоизлучения, отражаемого от объекта.

Комплексная напряжённость электрического поля плоской волны Е с частотой w = kc и фазой j при её распространении вдоль оси z описывается выражением

(1.1)

После взаимодействия с объектом электрическое поле оказывается в общем случае измененным по направлению распространения, ампли­туде, фазе, частоте и поляризации:

(1.2)

Изменение амплитуды волны связано с поглощением и рассеянием, дефазирующие свойства объекта определяются различием показателей преломления вещества объекта и окружающей среды. Вследствие движения объекта может происходить изменение частоты волны по сравнению с первоначальной. Изменение поляризации волны обусловлено зависимостью коэффициента отражения от угла падения для волн с различной пространственной ориентацией относительно плоскости падения.

Если удаётся измерить интенсивность, поляризацию, частоту и фазу волн, рассеянных объектами, как функцию углов рассеяния, то этой информации в принципе достаточно для получения количественного описания геометрических параметров объекта. Как показал Адамар, вычислительная схема подобных задач весьма чувствительна к небольшим ошибкам регистрируемых данных. Сужение общности постановки задачи, использование дополнительной информации о структуре объектов позволяет регуляризовать обратную задачу - избавиться от неоднозначности в её решении.

Отражённый сигнал в дальней зоне является суперпозицией отражений от отдельных точек объекта и зависит от конфигурации, мате­риала объекта и его ориентации относительно радиолокационной станции (РЛС). При фиксированном ракурсе объекта принимаемый сигнал можно рассматривать как его интегральное представление (проекцию). Следовательно, формирование ЛИ сводится к его восста­новлению по проекциям - томографии.

Задача восстановления двумерной функции по её интегралам вдоль прямых линий впервые была поставлена Радоном [17] и соответствую­щее преобразование носит его имя. В последующем приложения томографического подхода развивались успешно во многих областях науки и техники. Первые применения томографического подхода связаны именно с обработкой высокоинформативных сигналов. В рамках томографического подхода развиваются многочисленные методы формиро­вания высококачественного изображения объектов с помощью РЛС, использующих как монохроматические, так и сверхширокополосные (СШП) сигналы. Вместе с этим аппарат томографического подхода является достаточно новым, и для его эффективного использования необходимо решать немало проблем физического и математического характера.

В случае использования узкополосных сигналов для описания ЛИ используется комплексная функция

(1.3)

г

де - амплитудный коэффициент отражения в точке объекта, координаты которой задаются вектором x; - фазовый сдвиг сигнала при отражении от точки x, V - область пространства, занимаемая объектом; - вектор координат в трехмерном евклидовом пространстве.

Физический смысл функции u(x) состоит в том, что её значение по­лучается сканированием всей поверхности объекта бесконечно узким (игольчатым) лучом с помощью приёмно-передающей аппаратуры. При этом используется монохроматический (узкополосный) сигнал, а получаемые значения функции (1.3) характеризуют свойства объекта на несущей частоте w0 при измерениях в дальней зоне. Часто условия наблюдения объекта позволяют получать лишь его двумерные изображения. В этом случае вектор x включает две компоненты и получаемое изображение представляет собой проекцию функ­ции (1.3), например, на плоскость (x1 ,x2):

(1.4)

где l - размер объекта вдоль оси x3.