Поляризационная структура принятого сигнала

При анализе поляризационной структуры принятого сигнала (от­раженного сигнала, мешающих излучений и мешающих отражений) следует учитывать два явления: деполяризацию и декорреляцию поляризацион­ной структуры.

Под деполяризацией понимается изменение поляризационной струк­туры отраженного (рассеянного сигнала), т.е. изменение эллиптич­ности и ориентации годографа результирующего вектора напряженности электрического поля . Преобразование поляризации вызывается процессами обратного вторичного излучения объекта под действием наведенных на его поверхности токов проводимости (для проводников) или токов смещения (для диэлектриков). Поляризационные свойства объекта отражения (рассеяния) зависят от электрических свойств его поверхности (диэлектрической и магнитной проницаемости и про­водимости), формы, относительных размеров, ориентации относительно направления прихода облучающей волны. Поляризационные свойства объекта наблюдения характеризуются так называемой поляризационной матрицей рассеяния:

,

представляющей собой совокупность четырех комплексных коэффициен­тов отражения для двух ортогонально поляризованных составляющих рассеянного поля (первый индекс коэффициента) при двух ортогонально поляризованных составляющих облучающей волны (второй индекс коэф­фициента) в некотором поляризационном базисе [ , ].

Преобразование поляризационного состояния волны при отражении (рассеянии) может быть представлено:

- в сокращенной матричной форме

,

- в развернутой матричной форме

- в алгебраической форме

где , , , комплексные координаты вектора отраженной и падающей волны в базисе [ , ].

Поскольку возможно бесконечное множество различных поляризационных базисов [ , ], существует бесконечное множество образов ( , ) и ( , ) а также бесконечное множест­во поляризационных матриц рассеяния одного объекта наблюдения. Однако для любого объекта существует некоторый поляризационный базис , , в котором матрица рассеяния приобретает диа­гональную форму

когда коэффициенты отражения для перекрестных компонент равны нулю ( ). Поляризационный базис, в котором матрица рассе­яния имеет диагональную форму, называется собственным базисом объекта наблюдения (цели). Поляризации волн, совпадающих с ортами собственного базиса, называются собственными поляризациями объекта наблюдения (цели).

Рассмотрим несколько примеров поляризационных матриц рассеяние.

Пример 1. Поляризационная матрица рассеяния вибратора (рис. 11.5) в линейном базисе (с горизонтальной и вертикальной поляри­зацией ортов):

где - максимальное значение коэффициента рассеяния (отра­жения) вибратора при облучении его линейно поляризованной волной, вектор поля которой параллелен оси вибратора.

Рис. 11.5. Вибратор

Пример 2. Поляризационная матрица рассеяния сферы в любом базисе:

.

Пример 3. Поляризационная матрица рассеяния вибратора (рис. 11.5) в наклоненном линейном базисе, один из ортов которого параллелен оси вибратора, т.е. в собственном поляризационном ба­зисе:

.

Таким образом, вибратор является в общем случае объектом рассеяния, изменяющим поляризационную структуру обучающей волны. Объекты рассеяния радиоволн, обладающие деполяризующими свойствами, назы­ваются анизотропными в поляризационном смысле. Таких объектов - подавляющее большинство. Сфера является объектом рассеяния, не из­меняющим поляризационную структуру облучающей волны. Такие объек­ты называются изотропными в поляризационном смысле. Изотропными являются любые осесимметричные объекты, если их ось симметрии сов­падает с направлением на РЛС. Для изотропных объектов . Следует обратить внимание на некоторую условность понятия изотроп­ного в поляризационном смысле объекта наблюдения. Эта условность касается направления вращения вектора поля. Сохранение направления вращения вектора поля при отражении как необходимое условие изо­тропности объекта наблюдения, предполагает наблюдение обеих волн (падающей и отраженной в обратном направлении) по нормали к фронту каждой волны. Однако в большинстве случаев предполагается наблюдение обеих волн в какой-то одной стороны (со стороны РДС или объекта). При этом направление вращения вектора поля отражен­ной волны меняется на противоположное по сравнению с падающей волной. Эта условность, конечно, не может изменить представления об изотропности (в поляризационном смысле) объекта наблюдения.

Теперь обратимся ко второму явлению при отражении электромаг­нитной волны - декорреляции ее поляризационной структуры, Прежде всего отметим, что отраженная волна является линейным преобразованием падающей волны, причем свойства этого линейного преобразования определяются поляризованной матрицей рассеяния:

.

Данное обстоятельство свидетельствует о том, что четыре ком­поненты отраженного сигнала, соответствующие двум взаимно ортогональным поляризациям на прием при двух взаимно ортогональных поляризациях на излучение

являются сильно коррелированными, т.е., функционально линейно зависимыми, если соответствующие комплексные амплитуды взаимно орто­гональных по поляризации составляющих падающего поля и являются сильно коррелированными, а также если объект наблюдения (цель) в поляризационном смысле является стабильным, т.е. пара­метры его поляризационной матрицы рассеяния не изменяются (не флуктуируют) случайным образом, а если и изменяются, то "дружно". Последнее характерно для целей (объектов наблюдения) с жесткой конструкцией, у которых положение в пространстве одних отража­телей, определявших компоненту с одной поляризацией, зависит от расположения других отражателей, определяющих компоненту с ортого­нальной поляризацией.

Напротив, если объект наблюдения имеет нежесткую или "мягкую" конструкцию, например, совокупность пространственно распределен­ных элементарных отражателей, когда положение в пространстве одних отражателей не зависит от расположения других и эти отражатели являются анизотропными в поляризационном смысле, то приведенные выше четыре компоненты рассеянного поля оказы­ваются некоррелированными, а рассеянная волна хаотически поляризо­ванной (неполяризованной). Такая ситуация характерна для мешающих отражений от объемно или поверхностно распределенных отражателей, обладающих свойством поляризационной анизотропности.

В случае поляризационно изотропных отражателей, обладающих свойством осевой симметрии по направлению на РЛС, две компоненты рассеянного поля принципиально отсутствуют, поскольку , а компоненты рассеянного поля с учетом равенства диагональных элементов матрицы рассеяния будут сильно коррелированными, если сильно коррелированными явля­ются комплексные амплитуды падающего поля и . Эта си­туация характерна для объемно распределенных гидрометеоров (дождь, снег, туман, град, пыль), отражатели которых имеют осесимметричную (как правило, сферическую) форму.

Таким образом, при анализе корреляционных свойств ортогональ­но поляризованных составляющих отраженного (рассеянного) сигнала или мешающих отражений следует учитывать во взаимосвязи ряд факто­ров:

- степень жесткости конструкции объекта наблюдения;

- степень поляризационной изотропности элементарных отражате­лей, из которых состоит объект наблюдения;

- степень коррелированности комплексных амплитуд и падающего поля.

Рассмотрим, наконец, поляризационную структуру мешающих излу­чений. Она определяется, во-первых, поляризационной структурой по­мехи, и во-вторых, матрицей преобразования базиса [ , ] в базис [ , ] в приемной антенне РТС с матрицей преобразования :

Рассмотрим несколько примеров матриц преобразования поляри­зационных базисов.

Пример 1. Матрица преобразования линейного базиса в круговой:

,

поскольку

Пример 2. Матрица преобразования кругового базиса в линейный

поскольку

Пример 3. Матрица преобразования при повороте любого базиса на угол в плоскости поляризации

,

поскольку согласно рис. 11.6

Рис. 11.6. Поворот базиса в плоскости поляризации

Поскольку принятое мешающее колебание является результатом линейного функционального преобразования излученного мешающего колебания

коррелированность комплексных амплитуд определяется коррелированностью комплексных амплитуд .

Если обе ортогонально поляризованные составляющие помехи фор­мируются от одного источника шума, комплексные амплитуды как излу­ченного ( ), так и принятого ( ) помехового ко­лебания оказываются сильно коррелированными. Про такую помеху говорят, что она имеет несовершенную поляризационную структуру (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Формирование мешающего излучения с несовершенной поляризационной структурой.

Если ортогонально поляризованные составляющее помехи форми­руются от двух независимых источников шума, комплексные амплитуды излученного ( ) и принятого ( ) помехового колебания оказываются некоррелированными. Про такую помеху гово­рят, что она имеет совершенную поляризационную структуру (рис. 11.8).

Рис. 11.8. Формирование мешающего излучения

с совершенной поляризационной структурой.