Высокочастотный загоризонтный радар. Основополагающие принципы, обработка сигналов

Предисловие редактора перевода
Об авторе
Предисловие
Благодарности
Аббревиатуры
Глава 1. Введение
1.1. Предпосылки и мотивация
1.1.1. РЛС прямой видимости
1.1.2. Ограничения по зоне обнаружения
1.1.3. За горизонтом
1.2. Принципы работы загоризонтных радаров
1.2.1. Принцип действия загоризонтных
ионосферных РЛС
1.2.2. Общая характеристика
1.2.2.1. Среда распространения
1.2.2.2. Характеристики системы
1.2.2.3. Обработка сигналов и условия
распространения КВ-сигналов
1.2.3. Практические приложения применения
1.2.3.1. Раннее обнаружение в обширной зоне
наблюдения
1.2.3.2. Дистанционное зондирование
1.3. Основное уравнение КВ-радара
1.3.1. Наклонная дальность
1.3.2. Передаваемая мощность
1.3.3. Усиление антенны
1.3.4. Эффективная площадь рассеяния (ЭПР)
цели
1.3.5. Время интеграции
1.3.6. О бщие потери
1.3.7. Постоянная распространения
1.3.8. Шум окружающей среды
1.3.9. Численный пример
1.4. Номинальные возможности системы
1.4.1. Минимальное и максимальное расстояния
1.4.2. Зона выдержки интервала зондирования
1.4.3. Разрешение и точность
ЧАСТЬ I. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
Глава 2. Ионосферное распространение радиоволн,
2.1. Ионосфера
2.1.1. Исторический экскурс
2.1.1.1. Ранние радиоэксперименты
2.1.1.2. Предлагавшиеся физические
интерпретации
2.1.1.3. Радиосвязь и радиовещание
2.1.1.4. Открытие ионосферы
2.1.1.5. Послевоенные годы
2.1.2. Образование ионосферы и ее структура
2.1.2.1. Процессы, отвечающие за образование
ионосферы
2.1.2.2. Процессы, обуславливающие снижение
концентрации свободных
электронов
2.1.2.3. Образование слоя
2.1.3. Области D, E и F
2.1.3.1. Область D
2.1.3.2. Область E
2.1.3.3. Спорадический слой Е (Es)
2.1.3.4. Область F
2.1.3.5. Солнечная активность
2.2. Пространственная и временная
изменчивость
2.2.1. Вертикальное радиозондирование
2.2.1.1. Плазменная и критическая частоты
2.2.1.2. Фазовый и групповой показатели
преломления
2.2.1.3. Истинная и действующая высоты
отражения
2.2.1.4. Ионограмма вертикального зондирования
2.2.2. Измерения и модели
2.2.2.1. Климатологические модели ионосферы
2.2.2.2. Влияние солнечного излучения на
формирование ионизированных
слоев
2.2.2.3. Слой F2
2.2.2.4. Низкие и высокие широты,
2.2.3. Возмущения и бури
2.2.3.1. Солнечные вспышки и внезапные
ионосферные возмущения
2.2.3.2. Выбросы коронального вещества
2.2.3.3. Протонные вспышки на Солнце
2.2.3.4. Геомагнитные и ионосферные бури
2.2.3.5. Бегущие ионосферные возмущения
2.3. Наклонное распространение,
2.3.1. Соотношения эквивалентности
2.3.2. Двухточечные линии [связи]
2.3.3. Частота, угол излучения и наземная
дальность
2.3.3.1. Фиксированная частота.
2.3.3.2. Фиксированный угол излучения
2.3.3.3. Трассировка лучей
2.4. Ионосферные моды
2.4.1. Обыкновенная и необыкновенная волны
2.4.1.1. Магнитоионное расщепление и
поляризация
2.4.1.2. Фарадеевское вращение
2.4.2. Многолучевое распространение
2.4.2.1. Режимы первого и более высокого
порядка
2.4.2.2. Гибридные моды
2.4.2.3. Двунаправленное распространение.
2.4.2.4. Трансэкваториальное распространение
радиоволн
2.4.3. Амплитудное и фазовое замирание.
2.4.3.1. Амплитудное замирание.
2.4.3.2. Фаза и частота
ГЛава 3. Системные характеристики
3.1. Предварительные соображения
3.1.1. Конфигурация ЗГ РЛС и выбор мест
развертывания
3.1.1.1. Однопозиционные системы
3.1.1.2. Двухпозиционные системы
3.1.1.3. Место базирования (развертывания)
3.1.2. Сигналы РЛС
3.1.2.1. Классы сигналов
3.1.2.2. Импульсные и непрерывные сигналы
3.1.2.3. ЧМ-сигнал с линейной непрерывной
модуляцией
3.1.3. Внеполосное излучение
3.1.3.1. Спектр линейно-частотно-
модулированного непрерывного
колебания (ЛЧМНК)
3.1.3.2. Методы формирования импульса
3.1.3.3. Уровни боковых лепестков по дальности
3.2. Архитектура РЛС
3.2.1. Передающая система
3.2.1.1. Антенный элемент
3.2.1.2. Конструкция решетки
3.2.1.3. Генерация сигналов
3.2.1.4. Усиление мощности
3.2.2. Приемная система.
3.2.2.1. Антенный элемент
3.2.2.2. Конструкция решетки
3.2.2.3. Гетеродинные приемники
3.2.2.4. Цифровые приемники прямой обработки
сигнала
3.2.3. Калибровка решетки
3.2.3.1. Влияние ошибок калибровки
3.2.3.2. Источники внутренней калибровки
3.2.3.3. Внешние калибровочные источники
3.3. Управление частотой
3.3.1. Оценка трассы распространения
радиосигнала
3.3.1.1. Ионозонд возвратно-наклонного
зондирования
3.3.1.2. Мини-РЛС
3.3.2. Занятость каналов и шум
3.3.2.1. Устройство контроля спектра
3.3.2.2. Фоновый шум
3.3.3. Структура ионосферного режима (моды)
3.3.3.1. Ионозонды вертикального и наклонного
зондирования
3.3.3.2. Коэффициент рассеяния канала
3.4. Историческая перспектива
3.4.1. Системы настоящего и прошлого
поколений
3.4.1.1. ЗГ РЛС MADRE
3.4.1.2. Широкоапертурная научно-
исследовательская установка (WARF)
3.4.1.3. AN/FPS-95 (Cobra Mist)
3.4.1.4. ЗГ РЛС AN/FPS-118
3.4.1.5. AN/TPS-71 (перебазируемая ЗГ РЛС)
3.4.2. ЗГ РЛС Австралии
3.4.2.1. GEEBUNG
3.4.2.2. Фаза A ЗГ РЛС Jindalee
3.4.2.3. Ступень B ЗГ РЛС Jindalee
3.4.2.4. Оперативная радиолокационная сеть
Jindalee (JORN - Jindalee
Operational Radar Network)
3.4.3. Перспективы на будущее
ГЛава 4. Традиционная обработка
4.1. Условия распространения сигналов
4.1.1. Эхо-сигналы, отраженные от цели
4.1.1.1. Модель точечного отражателя
4.1.1.2. Эффективная площадь отражения цели
4.1.1.3. Изменения комплексной амплитуды
4.1.2. Мешающие отражения
4.1.2.1. Мешающие отражения от земной
поверхности
4.1.2.2. Мешающие отражения от морской
поверхности
4.1.2.3. Ионосферные мешающие отражения
4.1.3. Шумы и помехи
4.1.3.1. Атмосферный и галактический шум
4.1.3.2. Искусственные шумы и помехи
4.2. Стандартные процедуры обработки
4.2.1. Сжатие импульса
4.2.1.1. Вытяжка
4.2.1.2. Полностью цифровая реализация
4.2.2. Формирование диаграммы направленности
антенной решетки
4.2.2.1. Диаграммы направленности антенного
элемента и подрешетки. .
4.2.2.2. Цифровое формирование ДНА,
4.2.2.3. Характеристики диаграммы
направленности антенной решетки
4.2.3. Доплеровская обработка
4.2.3.1. Индикатор движущейся цели
4.2.3.2. Спектральный анализ
4.2.3.3. Маневрирующие цели
4.2.3.4. Практические примеры
4.3. Эксплуатационные аспекты
4.3.1. Работа с целями в воздухе и на
поверхности
4.3.1.1. Несущая частота
4.3.1.2. Ширина полосы частот
4.3.1.3. Частота повторения импульсов
4.3.1.4. Интервал когерентной обработки
4.3.2. Подавление кратковременных помех
4.3.2.1. Принципы и методы
4.3.2.2. Примеры обработки реальных данных
4.3.3. Экстраполяция данных и подбор сигналов
4.3.3.1. Экстраполяция данных (DATEX)
4.3.3.2. Коррекция ионосферных искажений (IDC)
4.3.3.3. Примеры обработки реальных данных
4.4. Обнаружение и слежение
4.4.1. Обработка с постоянной частотой ложных
тревог
4.4.1.1. Вероятности обнаружения цели и ложной
тревоги
4.4.1.2. Усреднение по элементам разрешения
CFAR
4.4.1.3. Порядковая (ранговая) статистика
4.4.2. Определение порогов и пиковое
детектирование
4.4.3. Отслеживание и регистрация координат
4.4.3.1. Сопровождение
4.4.3.2. Регистрация координат и сопоставление
трасс
Глава 5. РЛС поверхностной волны.
5.1. Главные характеристики
5.1.1. Принцип действия
5.1.1.1. Распространение ЭМВ вдоль земной
поверхности
5.1.1.2. Характеристики поверхностной волны
5.1.1.3. Концепция высокочастотных радаров
поверхностной волны
5.1.2. Архитектура и технические
характеристики
5.1.2.1. Описание базовой системы
5.1.2.2. Уравнение радиолокации для ЗГ РЛС ВЧ
ПЭВ
5.1.2.3. Номинальные рабочие характеристики
системы
5.1.3. Практические приложения
5.1.3.1. Наблюдение за надводным пространством
5.1.3.2. Военное и гражданское применение
5.1.3.3. Дистанционное зондирование
5.2. Механизм распространения
5.2.1. Малые и большие расстояния
5.2.1.1. Плоская поверхность
5.2.1.2. Сферическая поверхность
5.2.2. Тропосферная рефракция
5.2.3. Неровности поверхности и ее
неоднородность
5.3. Факторы окружающей среды
5.3.1. Помехи отражения от морской
поверхности
5.3.1.1. Основные принципы
5.3.1.2. Помехи отражения первого и второго
класса (порядка)
5.3.1.3. Влияние на эксплуатационные
характеристики ЗГ РЛС ПЭВ
5.3.2. Ионосферные помехи
5.3.2.1. Классификация трасс распространения
5.3.2.2. Распределение по дальности
5.3.2.3. Доплеровские характеристики
5.3.2.4. Частотная зависимость
5.3.2.5. Пространственные и поляриметрические
свойства,
5.3.3. Интер ференция и шум
5.4. Практическая реализация
5.4.1. Конфигурация и выбор места
развертывания
5.4.1.1. Конфигурация РЛС
5.4.1.2. Выбор местоположения (площадки) РЛС,
5.4.2. Подсистемы РЛС
5.4.2.1. Система передачи
5.4.2.2. Система приема
5.4.3. Обработка сигнала и данных
5.4.3.1. Снижение уровня ионосферных помех
5.4.3.2. Поляризационная фильтрация
5.5. Эксплуатационные соображения
5.5.1. Эффективная поверхность рассеяния ЭМВ
5.5.1.1. Область рэлеевского резонанса
5.5.1.2. Методы моделирования
5.5.1.3. Взаимовлияние между ЭПР разных целей
5.5.1.4. Экспериментальные измерения
5.5.2. Многочастотный режим
5.5.2.1. Выбор частоты
5.5.2.2. Двухчастотный режим эксплуатации
5.5.3. Примеры систем
5.5.3.1. Изделия Iluka и SECAR
5.5.3.2. РЛС SWR-503
5.5.3.3. Система BAE SWR
ЧАСТЬ II. ОПИСАНИЕ СИГНАЛОВ
Глава 6. Интерференционно-волновая модель
6.1. Детерминированное описание сигналов
ионосферного распространения
6.1.1. Обоснование направлений исследований
6.1.2. Укрупненная структура сложных
волновых полей
6.1.3. Тонкая структура мод
6.2. Функция рассеяния канала,
6.2.1. Идентификация ионосферных мод
6.2.2. Номинальные параметры мод
6.2.3. Наблюдение тонкой структуры
6.3. Разрешающая способность тонкой
структуры
6.3.1. Представление сигналов
6.3.2. Оценка параметров
6.3.3. Пространственно-временной алгоритм
MUSIC
6.4. Результаты экспериментов
6.4.1. Предварительный анализ данных
6.4.2. Точность подбора модели
6.4.3. Выводы и обсуждение
Глава 7. Статистическая модель сигнала
7.1. Стационарные процессы
7.1.1. Предпосылки, возможности и область
применения
7.1.2. Измерения КВ-сигналов
7.1.3. Расширение представлений об антенных
решетках
7.2. Диффузное рассеяние
7.2.1. Математическое представление
7.2.2. Изменяющаяся ионосферная структура
7.2.2.1. Статистические данные второго порядка
7.2.3. Функции автокорреляции
7.3. Временные статистические
характеристики
7.3.1. Метод оценки параметра
7.3.2. Приемочные проверки гипотез
7.3.3. Предположение о пространственной
однородности
7.4. Пространственные и пространственно-
временные статистические
характеристики
7.4.1. Коэффициенты корреляции
7.4.2. Средний плоский волновой фронт
7.4.3. Пространственно-временная
разделимость
Глава 8. Имитатор КВ-канала
8.1. Точечные и распределенные источники
8.1.1. Традиционные модели обработки
антенных решеток
8.1.2. Когерентные и некогерентные
распределения лучей
8.1.3. Определение параметров
распределенных сигналов
8.2. Обобщенная модель Уоттерсона
8.2.1. Математическая постановка и
интерпретация
8.2.2. Временные и пространственные
флуктуации
8.2.3. Ожидаемые статистики второго порядка
8.3. Методы параметрической оценки
8.3.1. Стандартные процедуры идентификации
8.3.2. Алгоритм согласованного фильтра MF
MUSIC
8.3.3. Метод нахождения корней полинома
8.4. Приложение к реальным данным
8.4.1. Метод наименьших квадратов замкнутой
формы
8.4.2. Метод подпространств
8.4.3. Выводы и обсуждение
Глава 9. Анализ способов подавления помех
9.1. Сглаживание шумов и помех
9.1.1. Пространственная обработка
9.1.2. Известные методы
9.1.3. КВ-приложения
9.2. Стандартный метод адаптивного
формирования диаграммы направленности
9.2.1. Метод обратной матрицы отсчетов
9.2.2. Практическая реализация схем
9.2.3. Альтернативный подход, учитывающий
временную зависимость
9.3. Анализ мгновенных показателей
9.3.1. Сбор реальных данных
9.3.2. Анализ характеристик на интервале ИКО
(CPI)
9.3.3. Повышение ОСПШ на выходе
9.4. Статистический анализ показателей
9.4.1. Базовые схемы
9.4.2. Пакетные периодические схемы
9.4.3. Эксплуатационные проблемы
9.5. Моделирование прогнозируемых
показателей
9.5.1. Параметры многоканальной модели
9.5.2. Влияние искажений волнового фронта
9.5.3. Выводы и обсуждение
ЧАСТЬ III. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
ГЛава 10. Технология адаптивного формирования
диаграммы направленности
10.1. Основные понятия
10.1.1. Оптимальные и адаптивные фильтры
10.1.2. Однородный гауссов случай
10.1.2.1. Адаптивное обучение с использованием
согласованного полезного
сигнала
10.1.2.2. Адаптивное обучение при использовании
несогласованного
полезного сигнала
10.1.2.3. Неадаптивное обучение с согласованным
полезным сигналом
10.1.2.4. Неадаптивное обучение при
несогласованности полезного сигнала.
10.1.2.5. Производительность оптимального
фильтра
10.1.3. Работа в реальных условиях
10.1.3.1. Амплитудная и спектральная
несогласованность
10.1.3.2. Выбор обучающих данных
10.1.3.3. Методы работы в условиях недостатка
выборок
10.2. Постановка задачи
10.2.1. Снижение интерференции и местных
помех от отражений
10.2.2. Модель многоканальных данных
10.2.2.1. Внешние помехи (интерференция)
10.2.2.2. Помехи отражений
10.2.3. Стандартное адаптивное формирование
диаграммы направленности
10.3. Изменяющиеся по времени
(нестационарные) методы
10.3.1. Стохастические ограничения
10.3.2. Нестационарная пространственная
адаптивная обработка
10.3.2.1. Альтернативный алгоритм TV-SAP
10.3.2.2. Сложность вычислений
10.3.3. Экспериментальные результаты
10.3.3.1. Обычное и изменяющееся во времени
SMI-MVDR-формирование
диаграммы направленности
10.3.3.2. Изменяющееся по времени
(нестационарное) LSMI-MVDR-
формирование диаграммы направленности
10.3.3.3. Применение TV-SAP-метода с
ограничениями, управляемыми
данными
10.3.3.4. Сравнение со стохастическими
ограничениями
10.4. Постдоплеровские методы
10.4.1. Практическое применение
10.4.1.1. Пассивная радиолокация
10.4.1.2. PCL-система загоризонтных ВЧ-РЛС
10.4.1.3. Обычная схема обработки сигнала
10.4.2. Зависящее от дальности адаптивное
формирование диаграммы
направленности
10.4.2.1. Традиционное адаптивное формирование
диаграммы
направленности
10.4.2.2. RD-SAP-метод постдоплеровской
обработки
10.4.3. Развернутый анализ данных
10.4.3.1. Эмпирические характеристики
работающего приемника
10.4.3.2. Распределение обнаружений
10.4.3.3. Индикация отслеживания начала
траектории цели
Глава 11. Пространственно-временная адаптивная
обработка
11.1. Архитектура STAP
11.1.1. STAP в области медленного времени
11.1.2. STAP в области быстрого времени
11.1.3. 3D-STAP
11.2. Модель данных
11.2.1. Композитный сигнал
11.2.2. "Холодные" помехи
11.2.3. "Горячие" помехи
11.3. Методы подавления помех
11.3.1. Стандартные схемы
11.3.1.1. Линейные детерминированные
ограничения
11.3.1.2. Не изменяющаяся по времени
(стационарная) STAP
11.3.1.3. Алгоритм STAP без ограничений
11.3.1.4. Относительные достоинства и
недостатки STAP
11.3.2. Альтернативные процедуры
11.3.2.1. Алгоритм STAP со стохастическими
ограничениями (SC-STAP)
11.3.2.2. Изменяющийся во времени алгоритм STAP
(TV-STAP)
11.3.3. Результаты моделирования
11.3.3.1. Подавление "горячих" помех
11.3.3.2. Обработка "холодных" помех
11.3.3.3. Схемы для практического применения
11.4. Реализация алгоритма STAP для
постдоплеровских частот
11.4.1. Описание алгоритма.
11.4.2. Экспериментальные результаты,
11.4.2.1. Отображение дальности и доплеровского
сдвига цели
11.4.2.2. Сигнатура доплеровского сдвига по
времени
11.4.3. Заключение
Глава 12. Схемы обнаружения с помощью
обобщенного критерия отношения правдоподобия
(GLRT - Generalized Likelihood-Ratio Test)
12.1. Постановка задачи
12.1.1. Предпосылки и формулировка задачи
12.1.2. Традиционные критерии проверки гипотез
12.1.3. Альтернативные бинарные критерии
12.1.3.1. Обобщенные критерии одновременной
проверки нескольких
гипотез (GMHT - Generalized Multi-Hypothesis Tests)
12.2. Модели измерений
12.2.1. Процесс возникновения помех
12.2.1.1. Однородный гауссов случай
12.2.1.2. Смешанная гауссова модель
12.2.1.3. Сферически инвариантный случайный
процесс (SIRP)
12.2.2. Полезный сигнал
12.2.2.1. Отметка дискретной цели
12.2.2.2. Расширенные полезные сигналы
12.2.2.3. Распределенные полезные сигналы
12.2.3. Когерентная интерференция
12.3. Схемы обработки
12.3.1. Одно- и двухэтапные методы GLRT
12.3.1.1. Метод GLRT, предложенный Kelly,
12.3.1.2. Адаптивный согласованный фильтр (AMF)
12.3.1.3. Альтернативное выражение для GLRT
12.3.2. Частично однородный случай
12.3.2.1. Адаптивное устройство оценки
когерентности (ACE)
12.3.2.2. Адаптивный детектор подпространства
(ASD - Adaptive Subspace Detector)
12.3.2.3. Обобщенные детекторы подпространства
(GSD - Generalized Subspace Detectors)
12.3.3. Обнаружение целей на совместном
множестве данных
12.3.3.1. Однор одный случай
12.3.3.2. Мультиранговые сигналы и частично
однородные помехи
12.4. Практическое применение,
12.4.1. Пространственная обработка
12.4.1.1. Эксперимент на РЛС Jindalee,
12.4.1.2. Эксперимент на загоризонтной РЛС Iluka
12.4.2. Временная обработка
12.4.3. Комбинированные методы
Пгава 13. Оценка сигнала слепыми методами
13.1. Постановка задачи
13.1.1. Модель многолучевости
13.1.1.1. Принимаемый сигнал
13.1.1.2. Локализованное рассеяние
13.1.1.3. Данные принятых сигналов
13.1.1.4. Множественные источники
13.1.2. Цели обработки
13.1.2.1. Оценка сигнала
13.1.2.2. Оценка канала
13.1.2.3. Основные предположения и допущения
13.1.3. Пример для объяснения
13.2. Стандартные методы
13.2.1. Слепой метод идентификации системы
13.2.2. Слепое разделение сигнала.
13.2.2.1. Методы на основе многообразия
13.2.2.2. Методы на основе знаний параметров
источника
13.2.3. Выводы
13.3. Алгоритм GEMS
13.3.1. Обработка при отсутствии шума
13.3.1.1. Единичный источник
13.3.1.2. Множественные источники
13.3.1.3. НКР-модель
13.3.2. Порядок работы
13.3.3. Вычислительная сложность
13.4. Эксперимент SIMO
13.4.1. Сбор данных
13.4.2. Методы копирования сигнала
13.4.3. Применение алгоритма GEMS
13.4.3.1. Оценка сигнала с помощью алгоритма
GEMS
13.4.3.2. Оценка волнового фронта с помощью
алгоритма GEMS
13.4.3.3. КР и НКР волновые фронты
13.5. MIMO-эксперимент
13.5.1. Сбор данных
13.5.2. Разделение сигнала по источникам и
многолучевости
13.5.3. Радиолокационные приложения
13.6. Однопозиционная геолокация
13.6.1. Предпосылки и мотивация
13.6.2. Сбор данных
13.6.3. Метод геолокации
13.6.3.1. Фазовые измерения
13.6.3.2. Измерения временной задержки
13.6.3.3. Комбинированные измерения
13.6.4. Заключение и планы на будущее
ЧАСТЬ IV. ПРИЛОЖЕНИЯ И ЛИТЕРАТУРА
Приложение A. Распределение выборочной АКП
Приложение В. Пространственно-временная
разделимость
Приложение С. Модальное разложение
Литература
Предметный указатель