Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Поляризаційна структура випроміненого сигналу, прийнятого сигналу. Когерентне об'єднання (накопичення) сигналу в поляризаційних каналах »
МІНСЬК, 2008
Поляризаційна структура випроміненого сигналу
Векторне електромагнітне поле, на відміну від скалярного акустичного поля, має поляризаційну структуру. Це означає, що у фіксованій точці простору кінець вектора напруженості електричного (Або магнітного
) Поля в площині поляризації, перпендикулярної до напрямку поширення електромагнітної хвилі, робить обертовий рух, описуючи за кожний період високочастотного коливання
траєкторію, в загальному випадку еліптичну, звану годографом (рис. 1).
Еліптично поляризована хвиля (найбільш загальний випадок) може бути розкладена на дві ортогонально поляризовані складові, кожна з яких характеризується своєю амплітудою і фазою:
.
Кожна пара ортогонально поляризованих векторів і
одиничної довжини
, Тобто ортонормованих векторів, утворює так званий поляризаційний базис. Поляризаційних базисів може бути нескінченна безліч (мал. 2). Вони відрізняються еліптичність (як ставленням малого і великого діаметрів еліпсів) і кутом орієнтації. Проте найбільш широкого поширення набули два поляризаційних базису: лінійний і круговий (рис. 3). Лінійний базис складають два пульсуючі вектора з горизонтальне і вертикальною поляризацією одиничної довжини (рис.3, а). Круговий базис складають два обертових вектора з круговою поляризацією (правої та лівої) одиничної довжини (рис.3, 6).
Комплексні амплітуди і
, Що характеризують амплітуду і фазу ортогонально поляризованих складових вектора
, Є проекції вектора
на напрями ортов
і
відповідно, які визначаються скалярними творами:
,
.
Комплексні амплітуди і
можна вважати комплексними координатами вектора
в базисі [
].
Рис. 1. Годограф вектора напруженості електричного поля еліптично поляризованої хвилі.
Рис.2. Еліптичний поляризаційний базис [ ].
Рис. 3. Лінійний (а) та кругової (б) поляризаційні базиси [ ].
Змінюючи амплітуду і фазу, тобто керуючи амплітудою і фазою і
ортогонально поляризованих коливань (хвиль) з лінійною поляризацією, одержуваних, наприклад, за допомогою горизонтально і вертикально розташованих вібраторів, або з круговою поляризацією, одержуваних, наприклад, за допомогою спіральних випромінювачів з правозаходной ілевозаходной спіраллю, можна отримати необхідну поляризаційну структуру зондуючого (випроміненого) сигналу і керувати нею. Процес формування деякої еліптично поляризованої хвилі за допомогою ортогонально поляризованих хвиль із круговою поляризацією показаний на рис.4, а, а з лінійною поляризацією - на рис.4, 6. Тут в моменти часу
з інтервалом у чверть періоду високочастотного коливання показані ортогонально поляризовані складові з урахуванням їх комплексних амплітуд
і
. Складаючи вектори напруженості електричного поля, відповідні ортогонально поляризованим компонентів для одних і тих же моментів часу, отримуємо результуючий вектор напруженості електричного поля
послідовно в моменти часу
, Тобто поляризаційну структуру випромінюваного сигналу (годограф вектора
).
Поляризаційна структура прийнятого сигналу
При аналізі поляризаційної структури прийнятого сигналу (відбитого сигналу, що заважають випромінювань і метали відображень) слід враховувати два явища: деполяризацію і декорреляции поляризаційної структури.
Під деполяризацією розуміється зміна поляризаційної структури відбитого (розсіяного сигналу), тобто зміна еліптичності і орієнтації годографа результуючого вектора напруженості електричного поля
. Перетворення поляризації викликається процесами зворотного вторинного випромінювання об'єкта під дією наведених на його поверхні струмів провідності (для провідників) або струмів зсуву (для діелектриків). Поляризаційні властивості об'єкта відображення (розсіювання) залежать від електричних властивостей його поверхні (діелектричної та магнітної проникності і провідності), форми, відносних розмірів, орієнтації щодо напрямку приходу облучающего хвилі. Поляризаційні властивості об'єкта спостереження характеризуються так званої поляризаційної матрицею
розсіювання .
Рис. 4. Результуюча еллептіческі поляризована хвиля, сформована зі складових з круговою (а) і лінійної (б) поляризацією.
представляє собою сукупність чотирьох комплексних коефіцієнтів відбиття для двох ортогонально поляризованих складових розсіяного поля (перший індекс коефіцієнта) при двох ортогонально поляризованих складових облучающего хвилі (другий індекс коефіцієнта) в деякому поляризаційному базисі [ ].
Перетворення поляризаційного стану хвилі при відображенні (розсіянні) може бути представлено:
- У скороченій матричній формі
,
- В розгорнутій формі матричної
.
- В алгебраїчній формі
,
,
де - Комплексні координати вектора відбитої
і падаючої
хвилі в базисі [
].
Оскільки можливо нескінченну безліч різних поляризаційних базисів [ ], Існує нескінченна безліч образів
і
, А також нескінченна безліч поляризаційних матриць розсіювання
одного об'єкта спостереження. Однак для будь-якого об'єкта існує деякий поляризаційний базис
, В якому матриця розсіювання набуває діагональну форму
,
коли коефіцієнти відбиття для перехресних компонент дорівнюють нулю . Поляризаційний базис, в якому матриця розсіювання має діагональну форму, називається власним базисом об'єкта спостереження (цілі). Поляризації хвиль, які збігаються з ортами власного базису, називаються власними поляризациями об'єкта спостереження (цілі).
Розглянемо кілька прикладів поляризаційних матриць розсіювання.
Приклад 1. Поляризаційна матриця розсіювання вібратора (рис. 2.10.5.) В лінійному базисі (з горизонтальною і вертикальною поляризацією ортов):
,
де - Максимальне значення коефіцієнта розсіяння (відображення) вібратора при опроміненні його лінійно поляризованої хвилею, ректор поля якої паралельний осі вібратора.
Приклад 2. Поляризаційна матриця розсіювання сфери в будь-якому базисі:
.
Приклад 3. Поляризаційна матриця розсіювання вібратора (рис. 5) у нахиленому лінійному базисі, один з ортов якого паралельний осі вібратора, тобто у власному поляризаційному базисі:
.
Таким чином, вібратор є в загальному випадку об'єктом розсіювання, що змінює поляризаційну структуру облучающего хвилі. Об'єкти розсіювання радіохвиль, що володіють деполяризуючих властивостями, називаються анізотропними в поляризаційному сенсі. Таких об'єктів-переважна більшість. Сфера є об'єктом розсіювання, не зраджувати поляризаційну структуру облучающего хвилі. Такі об'єкти називаються ізотропними в поляризаційному сенсі. Ізотропними є будь-які осесиметричні об'єкти, якщо їх вісь симетрії співпадає з напрямком на систему. Для ізотропних об'єктів . Слід звернути увагу на певну умовність поняття ізотропного в поляризаційному сенсі об'єкта спостереження. Ця умовність стосується напрямку обертання вектора поля. Збереження напрямку обертання вектора поля при відображенні як необхідна умова ізотропності об'єкта спостереження, передбачає спостереження обох хвиль (падаючої і відображеної в зворотному напрямку) по нормалі до фронту кожної хвилі.
Рис. 2.10.5. Вібратор
Рис. 6. Поворот базису в площині поляризації
Однак у більшості випадків передбачається спостереження обох хвиль з якоїсь однієї сторони (зі сторони РЛС або об'єкта). При цьому напрямок обертання вектора поля відбитої хвилі змінюється на протилежне в порівнянні з падаючою хвилею. Ця умовність, звичайно, не може змінити уявлення про ізотропності (у поляризаційному сенсі) об'єкта спостереження.
Тепер звернемося до другого явищ при відображенні електромагнітної хвилі - декорреляции її поляризаційної структури. Перш за все відзначимо, що відбита хвиля є лінійним перетворенням падаючої хвилі, причому властивості цього лінійного перетворення визначаються поляризованої матрицею розсіювання:
.
Дана обставина свідчить про те, що чотири компоненти відбитого сигналу, що відповідають двом взаємно ортогональною поляризацією на прийом при двох взаємно ортогональних поляризациях на випромінювання
,
,
,
,
є сильно корельованими, тобто, функціонально лінійно залежними, якщо відповідні комплексні амплітуди взаємно ортогональних по поляризації складових падаючого поля і
є сильно корельованими, а також якщо об'єкт спостереження (мета) в поляризаційному сенсі є стабільним, тобто параметри його поляризаційної матриці розсіювання не змінюються (не флуктуїруют) випадковим чином, а якщо й змінюються, то "дружно". Останнє характерно для цілей (об'єктів спостереження) з жорсткою конструкцією, у яких положення в пространствеодніх відбивачів, що визначають компоненту з одного поляризацією, залежить від розташування інших відбивачів, що визначають компоненту з ортогональною поляризацією.
Навпаки, якщо об'єкт спостереження має нежорстку або "м'яку" конструкцію, наприклад, сукупність просторово розподілених елементарних відбивачів, коли положення в просторі одних відбивачів не залежить від розташування інших і ці відбивачі є анізотропними в поляризаційному сенсі, то наведені вище чотири компоненти розсіяного поля виявляються некоррелірованнимі, а розсіяна хвиля хаотично поляризованої (неполяризованого). Така ситуація характерна для заважаючих відбиттів від об'ємно або поверхнево розподілених відбивачів, що володіють властивістю поляризаційної анізотропності.
У разі поляризаційно ізотропних відбивачів, що володіють властивістю осьової симетрії у напрямку на РЛС, дві компоненти розсіяного поля і
принципово відсутні, оскільки
, А компоненти
і
розсіяного поля з урахуванням рівності діагональних елементів матриці розсіювання
будуть сильно корельованими, якщо сильно корельованими є комплексні амплітуди падаючого поля
і
. Ця ситуація характерна для об'ємно розподілених гідрометеорів (дощ, сніг, туман, град, пил), відбивачі яких мають осесиметричних (як правило, сферичну) форму.
Таким чином, при аналізі кореляційних властивостей ортогонально поляризованих складових відбитого (розсіяного) сигналу або заважаючих відбиттів слід враховувати у взаємозв'язку ряд факторів:
- Ступінь жорсткості конструкції об'єкта спостереження,
- Ступінь поляризаційної ізотропності елементарних відбивачів, з яких складається об'єкт спостереження;
- Ступінь корельованості комплексних амплітуд і
падаючого поля.
Принципи поляризаційної обробки сигналів на фоні завад
Під поляризаційної обробкою розуміється деякий спосіб об'єднання поляризаційних каналів багатоканальної по поляризації системи. Принципи поляризаційної обробки можна сформулювати на підставі загальних принципів просторово-часової обробки:
- Придушення перешкод шляхом междуканального вирахування корельованих ортогонально поляризованих складових заважають коливань (випромінювань і відбитків;
- Накопичення сигналу шляхом междуканального складання (когерентного або некогерентного) корельованих ортогонально поляризованих складових відбитого сигналу.
Когерентне об'єднання (накопичення) сигналу в поляризаційних каналах.
Основою когерентного об'єднання сигналу в поляризаційних каналах багатоканальної по поляризації РЛС є його сильна міжканального кореляція, характерна для об'єктів спостереження з жорсткою конструкцією. При цьому оптимальна процедура об'єднання сигналів з різних каналів зводиться до їх зваженому когерентному накопичення (рис. 7).
Максимально можлива ефективність когерентного поляризаційного об'єднання сигналів визначається числом поляризаційних каналів:
Повний поляризаційний прийом передбачає наявність чотирьох поляризаційних складових прийнятого сигналу .
Неповний поляризаційний прийом на увазі наявність двох поляризаційних складових прийнятого сигналу: непарних або парних
.
Некогерентно об'єднання (накопичення) сигналу в поляризаційних каналах.
Оптимальна процедура некогерентного об'єднання сигналів з різних каналів зводиться до їх зваженому некогерентного накопичення (рис.8).
Рис. 7. Схема когерентного об'єднання сигналу в поляризаційних каналах. Рис. 8. Схема некогерентного об'єднання сигналу в поляризаційних каналах.
Максимально можлива ефективність некогерентного об'єднання поляризаційних каналів поступається когерентному.
ЛІТЕРАТУРА
Охріменко А.Є. Основи вилучення, обробки і передачі інформації. (В 6 частинах). Мінськ, БДУІР, 2004.
Девятко Н.Д., Голант М.Б., Реброва Т.Б.. Радіоелектроніка та медицина. -Мн. - Радіоелектроніка, 2002.
Медична техніка, М., Медицина 1996-2000 р.
Сіверс А.П. Проектування радіоприймальних пристроїв, М., Радіо і зв'язок, 2006.
Чердинцев В.В. Радіотехнічні системи. - Мн.: Вища школа, 2002.
Радіотехніка та електроніка. Межведоств. темат. наук. збірник. Вип. 22, Мінськ, БДУІР, 2004.