Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск

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

https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-25-36

Полный текст:

Аннотация

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. 

Об авторе

В. В. Бахчевников
Южный федеральный университет
Россия

аспирант,

Некрасовский пр., д. 44, Таганрог, 347928



Список литературы

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.


Для цитирования:


Бахчевников В.В. Электродинамическая модель радиосигнала, рассеянного на многослойной структуре, с использованием физической оптики и метода трассировки лучей. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2019;22(6):25-36. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-25-36

For citation:


Bahchevnicov V.V. Electrodynamic Model of the Signal Scattered by the Multilayer Structure with the Use of Physical Optics and Ray Tracing Technique. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019;22(6):25-36. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-25-36

Просмотров: 73


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)