Электродинамическая модель радиосигнала, рассеянного на многослойной структуре, с использованием физической оптики и метода трассировки лучей

Введение. Радиолокационный мониторинг слоистых подстилающих поверхностей актуален в различных задачах: измерение толщины слоев взлетно-посадочных полос и дорожных покрытий; разведка полезных ископаемых и др. Для оценки работоспособности новых алгоритмов обработки отраженного от слоистых поверхностей радиолокационного сигнала необходимы натурные испытания. Их проведение требует больших ресурсных затрат, поэтому актуально имитационное моделирование. Отработанные методики и алгоритмы инженерного расчета отраженного радиосигнала для решения таких задач отсутствуют.

Цель работы. Разработка и верификация программной модели для имитации отраженного многослойной протяженной структурой радиосигнала, принимаемого на борту летательного аппарата.

Материалы и методы. Ядро модели строится на высокочастотных электродинамических методах (физическая и геометрическая оптики), что позволяет производить быстрые вычисления для целей большой площади с любым количеством слоев. Моделирование осуществляется с помощью программного пакета MATLAB. Разработанная имитационная модель предоставляет конечный результат в виде нормированной эффективной площади рассеяния (ЭПР) многослойной структуры. Результирующее электромагнитного поле (ЭМП) рассчитывается с использованием принципа суперпозиции.

Результаты. Проведено сравнение результатов моделирования с теоретическими расчетами для нормированной ЭПР двухслойной структуры – расхождение не более 10 %. Проведена верификация для коэффициента вариации огибающей отраженного радиосигнала от глубины залегания грунтовых вод. Результаты моделирования показывают такую же тенденцию изменения коэффициента вариации от средней толщины слоя, как и в результате проведения натурного эксперимента (максимальное значение погрешности – 7 %). Проведено моделирование ЭПР для поглощающего слоя с разной степенью неровности границ слоев. Шероховатость верхней границы (максимальное отклонение высоты 0.1 м) существенно влияет на удельную ЭПР: уменьшение значения ЭПР до 30 дБ.

Заключение. Разработанная модель призвана уменьшить затраты на проектный синтез средств подповерхностной радиолокации подстилающих земных поверхностей по сравнению со схемой "разработка макета устройства – натурные испытания макета – доработка – и т. д.". Модель можно использовать для апробирования новых алгоритмов обработки подповерхностных радиосигналов. 

1. Jayawickreme D. H., Jobbágy E. G., Jackson R. B. Geophysical Subsurface Imaging for Ecological Applications // New Phytologist. 2013. Vol. 201, iss. 4. P. 1170–1175. doi: 10.1111/nph.12619

2. Lobach V. T., Dmitriev V. A., Lobatch Y. V. Remote Measurements of Electro-Physical Parameters of Layer Mediums // Proc. SPIE. 1999. Vol. 3704. Radar Sensor Technology IV. doi: 10.1117/12.354596

3. Бахчевников В. В. Имитационная модель отражения радиолокационного сигнала слоистым объемом с неоднородностями // Изв. ЮФУ. Техн. науки. 2018. №. 7. С. 155–166.

4. Introduction to Subsurface Imaging / ed. by B. Saleh. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. 454 p. doi: 10.1017/CBO9780511732577

5. Albert A., Mobley C. D. An Analytical Model for Subsurface Irradiance and Remote Sensing Reflectance in Deep and Shallow Case-2 Waters // Opt. Express. 2003. Vol. 11, iss. 22. P. 2873–2890. doi: 10.1364/OE.11.002873

6. Gibson W. The Method of Moments in Electromagnetics. New York: Chapman and Hall/CRC, 2007. 288 p. doi: 10.1201/9781420061468

7. Knott E. F., Shaeffer J. F., Tuley M. T. Radar Cross Section. 2nd ed. IET Digital Library. 2004. doi: 10.1049/sbra026e

8. A Coherent Multilayer Simulator of Radargrams Acquired by Radar Sounder Instruments / C. Gerekos, A. Tamponi, L. Carrer, D. Castelletti, M. Santoni, L. Bruzzone // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2018. Vol. 56, iss. 12. P. 7388–7404. doi: 10.1109/tgrs.2018.2851020

9. Multilayer Simulations for Accurate Geological Interpretations of SHARAD Radargrams / M. G. Spagnuolo, F. Grings, P. Perna, M. Franco, H. Karszenbaum, V. A. Ramos // Planetary and Space Science. 2011. Vol. 59, iss. 11–12. P. 1222–1230. doi: 10.1016/j.pss.2010.10.013

10. Lobatch V. T., Potipak M. V. Modeling of Modulated Signal Back Scattering from a Quasiperiodic Surface // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5097. Geo-Spatial and Temporal Image and Data Exploitation III. doi: 10.1117/12.486000

11. Computing Low‐Frequency Radar Surface Echoes for Planetary Radar using Huygens‐Fresnel's Principle / Y. Berquin, A. Herique, W. Kofman, E. Heggy // Radio Sci. 2015. Vol. 50, iss. 10. P. 1097–1109. doi: 10.1002/2015RS005714

12. Woodwark J. F. Comments on 'Spacetime ray tracing for animation' by A.S. Glassner // IEEE Computer Graphics and Applications. 1988. Vol. 8, iss. 5. 8 p. doi: 10.1109/38.7755

13. Boissonnat J-D., Dyer R., Ghosh A. Delaunay Triangulation of Manifolds // Foundations of Computational Mathematics. 2018. Vol. 18, iss. 2. P. 399–431. doi: 10.1007/s10208-017-9344-1

14. Cartwright D. E., Longuet-Higgins M. S. The Statistical Distribution of the Maxima of a Random Function // Proc. of the Royal Society A. Mathematical and Physical Sciences. 1956. Vol. 237, iss. 1209. P. 212–232. doi: 10.1098/rspa.1956.0173

15. Зубкович С. Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Сов. радио, 1968. 224 с.