eng
Содержание
Предисловие редактора перевода 15
Об авторе 17
Предисловие 18
Благодарности 19
Аббревиатуры 21
Глава 1. Введение 28
1.1.
Предпосылки и мотивация 31
1.1.1.
РЛС прямой видимости 31
1.1.2.
Ограничения по зоне обнаружения 33
1.1.3.
За горизонтом 36
1.2.
Принципы работы загоризонтных радаров 39
1.2.1.
Принцип действия загоризонтных ионосферных РЛС 39
1.2.2.
Общая характеристика 44
1.2.2.1.
Среда распространения 44
1.2.2.2.
Характеристики системы 46
1.2.2.3.
Обработка сигналов и условия распространения КВ-сигналов 48
1.2.3.
Практические приложения применения 51
1.2.3.1.
Раннее обнаружение в обширной зоне наблюдения 51
1.2.3.2.
Дистанционное зондирование 54
1.3.
Основное уравнение КВ-радара 55
1.3.1.
Наклонная дальность 56
1.3.2.
Передаваемая мощность 56
1.3.3.
Усиление антенны 57
1.3.4.
Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели 58
1.3.5.
Время интеграции 59
1.3.6.
Общие потери 60
1.3.7.
Постоянная распространения 60
1.3.8.
Шум окружающей среды 61
1.3.9.
Численный пример 61
1.4.
Номинальные возможности системы 62
1.4.1.
Минимальное и максимальное расстояния 63
1.4.2.
Зона выдержки интервала зондирования 65
1.4.3.
Разрешение и точность 67
ЧАСТЬ I. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 72
Глава 2. Ионосферное распространение радиоволн 72
2.1.
Ионосфера 73
2.1.1.
Исторический экскурс 74
2.1.1.1.
Ранние радиоэксперименты 74
2.1.1.2.
Предлагавшиеся физические интерпретации 74
2.1.1.3.
Радиосвязь и радиовещание 75
2.1.1.4.
Открытие ионосферы 76
2.1.1.5.
Послевоенные годы 77
2.1.2.
Образование ионосферы и ее структура 78
2.1.2.1.
Процессы, отвечающие за образование ионосферы 78
2.1.2.2.
Процессы, обуславливающие снижение концентрации свободных
электронов 80
2.1.2.3.
Образование слоя 82
2.1.3.
Области D, E и F 84
2.1.3.1.
Область D 86
2.1.3.2.
Область E 87
2.1.3.3.
Спорадический слой Е (ES ) 88
2.1.3.4.
Область F 88
2.1.3.5.
Солнечная активность 91
2.2.
Пространственная и временная изменчивость 92
2.2.1.
Вертикальное радиозондирование 93
2.2.1.1.
Плазменная и критическая частоты 94
2.2.1.2.
Фазовый и групповой показатели преломления 95
2.2.1.3.
Истинная и действующая высоты отражения 96
2.2.1.4.
Ионограмма вертикального зондирования 97
2.2.2.
Измерения и модели 100
2.2.2.1.
Климатологические модели ионосферы 100
2.2.2.2.
Влияние солнечного излучения на формирование ионизированных
слоев 101
2.2.2.3.
Слой F2 104
2.2.2.4.
Низкие и высокие широты 107
2.2.3.
Возмущения и бури 109
2.2.3.1.
Солнечные вспышки и внезапные ионосферные возмущения 110
2.2.3.2.
Выбросы коронального вещества 111
2.2.3.3.
Протонные вспышки на Солнце 112
2.2.3.4.
Геомагнитные и ионосферные бури 112
2.2.3.5.
Бегущие ионосферные возмущения 113
2.3.
Наклонное распространение 114
2.3.1.
Соотношения эквивалентности 114
2.3.2.
Двухточечные линии [связи] 117
2.3.3.
Частота, угол излучения и наземная дальность 124
2.3.3.1.
Фиксированная частота 124
2.3.3.2.
Фиксированный угол излучения 126
2.3.3.3.
Трассировка лучей 129
2.4.
Ионосферные моды 131
2.4.1.
Обыкновенная и необыкновенная волны 131
2.4.1.1.
Магнитоионное расщепление и поляризация 132
2.4.1.2.
Фарадеевское вращение 134
2.4.2.
Многолучевое распространение 136
2.4.2.1.
Режимы первого и более высокого порядка 136
2.4.2.2.
Гибридные моды 138
2.4.2.3.
Двунаправленное распространение 140
2.4.2.4.
Трансэкваториальное распространение радиоволн 142
2.4.3.
Амплитудное и фазовое замирание 143
2.4.3.1.
Амплитудное замирание 144
2.4.3.2.
Фаза и частота 146
Глава 3. Системные характеристики 147
3.1.
Предварительные соображения 148
3.1.1.
Конфигурация ЗГ РЛС и выбор мест развертывания 148
3.1.1.1.
Однопозиционные системы 149
3.1.1.2.
Двухпозиционные системы 150
3.1.1.3.
Место базирования (развертывания) 152
3.1.2.
Сигналы РЛС 153
3.1.2.1.
Классы сигналов 154
3.1.2.2.
Импульсные и непрерывные сигналы 158
3.1.2.3.
ЧМ-сигнал с линейной непрерывной модуляцией 159
3.1.3.
Внеполосное излучение 161
3.1.3.1.
Спектр линейно-частотно-модулированного непрерывного
колебания (ЛЧМНК) 162
3.1.3.2.
Методы формирования импульса 165
3.1.3.3.
Уровни боковых лепестков по дальности 167
3.2.
Архитектура РЛС 169
3.2.1.
Передающая система 169
3.2.1.1.
Антенный элемент 170
3.2.1.2.
Конструкция решетки 174
3.2.1.3.
Генерация сигналов 179
3.2.1.4.
Усиление мощности 181
3.2.2.
Приемная система 183
3.2.2.1.
Антенный элемент 183
3.2.2.2.
Конструкция решетки 187
3.2.2.3.
Гетеродинные приемники 191
3.2.2.4.
Цифровые приемники прямой обработки сигнала 198
3.2.3.
Калибровка решетки 202
3.2.3.1.
Влияние ошибок калибровки 203
3.2.3.2.
Источники внутренней калибровки 206
3.2.3.3.
Внешние калибровочные источники 209
3.3.
Управление частотой 211
3.3.1.
Оценка трассы распространения радиосигнала 213
3.3.1.1.
Ионозонд возвратно-наклонного зондирования 213
3.3.1.2.
Мини-РЛС 216
3.3.2.
Занятость каналов и шум 218
3.3.2.1.
Устройство контроля спектра 219
3.3.2.2.
Фоновый шум 220
3.3.3.
Структура ионосферного режима (моды) 222
3.3.3.1.
Ионозонды вертикального и наклонного зондирования 223
3.3.3.2.
Коэффициент рассеяния канала 225
3.4.
Историческая перспектива 227
3.4.1.
Системы настоящего и прошлого поколений 227
3.4.1.1.
ЗГ РЛС MADRE 228
3.4.1.2.
Широкоапертурная научно-исследовательская установка (WARF) 230
3.4.1.3.
AN/FPS-95 (Cobra Mist) 231
3.4.1.4.
ЗГ РЛС AN/FPS-118 232
3.4.1.5.
AN/TPS-71 (перебазируемая ЗГ РЛС) 233
3.4.2.
ЗГ РЛС Австралии 235
3.4.2.1.
GEEBUNG 236
3.4.2.2.
Фаза A ЗГ РЛС Jindalee 236
3.4.2.3.
Ступень B ЗГ РЛС Jindalee 237
3.4.2.4.
Оперативная радиолокационная сеть Jindalee (JORN — Jindalee
Operational Radar Network) 238
3.4.3.
Перспективы на будущее 239
Глава 4. Традиционная обработка 242
4.1.
Условия распространения сигналов 243
4.1.1.
Эхо-сигналы, отраженные от цели 244
4.1.1.1.
Модель точечного отражателя 245
4.1.1.2.
Эффективная площадь отражения цели 247
4.1.1.3.
Изменения комплексной амплитуды 250
4.1.2.
Мешающие отражения 253
4.1.2.1.
Мешающие отражения от земной поверхности 254
4.1.2.2.
Мешающие отражения от морской поверхности 258
4.1.2.3.
Ионосферные мешающие отражения 263
4.1.3.
Шумы и помехи 267
4.1.3.1.
Атмосферный и галактический шум 268
4.1.3.2.
Искусственные шумы и помехи 274
4.2.
Стандартные процедуры обработки 276
4.2.1.
Сжатие импульса 278
4.2.1.1.
Вытяжка 280
4.2.1.2.
Полностью цифровая реализация 284
4.2.2.
Формирование диаграммы направленности антенной решетки 286
4.2.2.1.
Диаграммы направленности антенного элемента и подрешетки 287
4.2.2.2.
Цифровое формирование ДНА 288
4.2.2.3.
Характеристики диаграммы направленности антенной решетки 294
4.2.3.
Доплеровская обработка 296
4.2.3.1.
Индикатор движущейся цели 296
4.2.3.2.
Спектральный анализ 298
4.2.3.3.
Маневрирующие цели 301
4.2.3.4.
Практические примеры 302
4.3.
Эксплуатационные аспекты 307
4.3.1.
Работа с целями в воздухе и на поверхности 308
4.3.1.1.
Несущая частота 308
4.3.1.2.
Ширина полосы частот 313
4.3.1.3.
Частота повторения импульсов 315
4.3.1.4.
Интервал когерентной обработки 317
4.3.2.
Подавление кратковременных помех 319
4.3.2.1.
Принципы и методы 320
4.3.2.2.
Примеры обработки реальных данных 322
4.3.3.
Экстраполяция данных и подбор сигналов 325
4.3.3.1.
Экстраполяция данных (DATEX) 325
4.3.3.2.
Коррекция ионосферных искажений (IDC) 327
4.3.3.3.
Примеры обработки реальных данных 330
4.4.
Обнаружение и слежение 331
4.4.1.
Обработка с постоянной частотой ложных тревог 331
4.4.1.1.
Вероятности обнаружения цели и ложной тревоги 333
4.4.1.2.
Усреднение по элементам разрешения CFAR 335
4.4.1.3.
Порядковая (ранговая) статистика 340
4.4.2.
Определение порогов и пиковое детектирование 342
4.4.3.
Отслеживание и регистрация координат 344
4.4.3.1.
Сопровождение 345
4.4.3.2.
Регистрация координат и сопоставление трасс 348
Глава 5. РЛС поверхностной волны 351
5.1.
Главные характеристики 352
5.1.1.
Принцип действия 352
5.1.1.1.
Распространение ЭМВ вдоль земной поверхности 352
5.1.1.2.
Характеристики поверхностной волны 353
5.1.1.3.
Концепция высокочастотных радаров поверхностной волны 354
5.1.2.
Архитектура и технические характеристики 356
5.1.2.1.
Описание базовой системы 357
5.1.2.2.
Уравнение радиолокации для ЗГ РЛС ВЧ ПЭВ 359
5.1.2.3.
Номинальные рабочие характеристики системы 365
5.1.3.
Практические приложения 368
5.1.3.1.
Наблюдение за надводным пространством 369
5.1.3.2.
Военное и гражданское применение 370
5.1.3.3.
Дистанционное зондирование 371
5.2.
Механизм распространения 372
5.2.1.
Малые и большие расстояния 374
5.2.1.1.
Плоская поверхность 374
5.2.1.2.
Сферическая поверхность 380
5.2.2.
Тропосферная рефракция 386
5.2.3.
Неровности поверхности и ее неоднородность 391
5.3.
Факторы окружающей среды 397
5.3.1.
Помехи отражения от морской поверхности 397
5.3.1.1.
Основные принципы 398
5.3.1.2.
Помехи отражения первого и второго класса (порядка) 404
5.3.1.3.
Влияние на эксплуатационные характеристики ЗГ РЛС ПЭВ 412
5.3.2.
Ионосферные помехи 416
5.3.2.1.
Классификация трасс распространения 417
5.3.2.2.
Распределение по дальности 418
5.3.2.3.
Доплеровские характеристики 419
5.3.2.4.
Частотная зависимость 421
5.3.2.5.
Пространственные и поляриметрические свойства 423
5.3.3.
Интерференция и шум 424
5.4.
Практическая реализация 427
5.4.1.
Конфигурация и выбор места развертывания 427
5.4.1.1.
Конфигурация РЛС 427
5.4.1.2.
Выбор местоположения (площадки) РЛС 429
5.4.2.
Подсистемы РЛС 431
5.4.2.1.
Система передачи 431
5.4.2.2.
Система приема 432
5.4.3.
Обработка сигнала и данных 434
5.4.3.1.
Снижение уровня ионосферных помех 436
5.4.3.2.
Поляризационная фильтрация 437
5.5.
Эксплуатационные соображения 438
5.5.1.
Эффективная поверхность рассеяния ЭМВ 438
5.5.1.1.
Область рэлеевского резонанса 439
5.5.1.2.
Методы моделирования 440
5.5.1.3.
Взаимовлияние между ЭПР разных целей 441
5.5.1.4.
Экспериментальные измерения 441
5.5.2.
Многочастотный режим 445
5.5.2.1.
Выбор частоты 445
5.5.2.2.
Двухчастотный режим эксплуатации 447
5.5.3.
Примеры систем 451
5.5.3.1.
Изделия Iluka и SECAR 452
5.5.3.2.
РЛС SWR-503 454
5.5.3.3.
Система BAE SWR 455
ЧАСТЬ II. ОПИСАНИЕ СИГНАЛОВ 458
Глава 6. Интерференционно-волновая модель 458
6.1.
Детерминированное описание сигналов ионосферного распространения 459
6.1.1.
Обоснование направлений исследований 459
6.1.2.
Укрупненная структура сложных волновых полей 461
6.1.3.
Тонкая структура мод 464
6.2.
Функция рассеяния канала 466
6.2.1.
Идентификация ионосферных мод 467
6.2.2.
Номинальные параметры мод 468
6.2.3.
Наблюдение тонкой структуры 472
6.3.
Разрешающая способность тонкой структуры 480
6.3.1.
Представление сигналов 480
6.3.2.
Оценка параметров 484
6.3.3.
Пространственно-временной алгоритм MUSIC 486
6.4.
Результаты экспериментов 488
6.4.1.
Предварительный анализ данных 488
6.4.2.
Точность подбора модели 493
6.4.3.
Выводы и обсуждение 497
Глава 7. Статистическая модель сигнала 498
7.1.
Стационарные процессы 499
7.1.1.
Предпосылки, возможности и область применения 499
7.1.2.
Измерения КВ-сигналов 501
7.1.3.
Расширение представлений об антенных решетках 504
7.2.
Диффузное рассеяние 506
7.2.1.
Математическое представление 507
7.2.2.
Изменяющаяся ионосферная структура 509
7.2.2.1.
Статистические данные второго порядка 509
7.2.3.
Функции автокорреляции 511
7.3.
Временные статистические характеристики 513
7.3.1.
Метод оценки параметра 514
7.3.2.
Приемочные проверки гипотез 517
7.3.3.
Предположение о пространственной однородности 521
7.4.
Пространственные и пространственно-временные статистические
характеристики 526
7.4.1.
Коэффициенты корреляции 528
7.4.2.
Средний плоский волновой фронт 532
7.4.3.
Пространственно-временная разделимость 538
Глава 8. Имитатор КВ-канала 544
8.1.
Точечные и распределенные источники 544
8.1.1.
Традиционные модели обработки антенных решеток 545
8.1.2.
Когерентные и некогерентные распределения лучей 546
8.1.3.
Определение параметров распределенных сигналов 547
8.2.
Обобщенная модель Уоттерсона 549
8.2.1.
Математическая постановка и интерпретация 549
8.2.2.
Временные и пространственные флуктуации 552
8.2.3.
Ожидаемые статистики второго порядка 554
8.3.
Методы параметрической оценки 556
8.3.1.
Стандартные процедуры идентификации 557
8.3.2.
Алгоритм согласованного фильтра MF MUSIC 558
8.3.3.
Метод нахождения корней полинома 561
8.4.
Приложение к реальным данным 564
8.4.1.
Метод наименьших квадратов замкнутой формы 565
8.4.2.
Метод подпространств 569
8.4.3.
Выводы и обсуждение 572
Глава 9. Анализ способов подавления помех 574
9.1.
Сглаживание шумов и помех 575
9.1.1.
Пространственная обработка 575
9.1.2.
Известные методы 576
9.1.3.
КВ-приложения 578
9.2.
Стандартный метод адаптивного формирования диаграммы направленности 580
9.2.1.
Метод обратной матрицы отсчетов 580
9.2.2.
Практическая реализация схем 581
9.2.3.
Альтернативный подход, учитывающий временную зависимость 585
9.3.
Анализ мгновенных показателей 586
9.3.1.
Сбор реальных данных 586
9.3.2.
Анализ характеристик на интервале ИКО (CPI) 587
9.3.3.
Повышение ОСПШ на выходе 590
9.4.
Статистический анализ показателей 591
9.4.1.
Базовые схемы 591
9.4.2.
Пакетные периодические схемы 593
9.4.3.
Эксплуатационные проблемы 595
9.5.
Моделирование прогнозируемых показателей 595
9.5.1.
Параметры многоканальной модели 595
9.5.2.
Влияние искажений волнового фронта 596
9.5.3.
Выводы и обсуждение 598
ЧАСТЬ III. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ 600
Глава 10. Технология адаптивного формирования диаграммы направленности 600
10.1.
Основные понятия 601
10.1.1.
Оптимальные и адаптивные фильтры 601
10.1.2.
Однородный гауссов случай 605
10.1.2.1.
Адаптивное обучение с использованием согласованного полезного
сигнала 606
10.1.2.2.
Адаптивное обучение при использовании несогласованного
полезного сигнала 607
10.1.2.3.
Неадаптивное обучение с согласованным полезным сигналом 609
10.1.2.4.
Неадаптивное обучение при несогласованности полезного сигнала 611
10.1.2.5.
Производительность оптимального фильтра 612
10.1.3.
Работа в реальных условиях 613
10.1.3.1.
Амплитудная и спектральная несогласованность 613
10.1.3.2.
Выбор обучающих данных 615
10.1.3.3.
Методы работы в условиях недостатка выборок 616
10.2.
Постановка задачи 617
10.2.1.
Снижение интерференции и местных помех от отражений 618
10.2.2.
Модель многоканальных данных 619
10.2.2.1.
Внешние помехи (интерференция) 619
10.2.2.2.
Помехи отражений 621
10.2.3.
Стандартное адаптивное формирование диаграммы направленности 623
10.3.
Изменяющиеся по времени (нестационарные) методы 625
10.3.1.
Стохастические ограничения 626
10.3.2.
Нестационарная пространственная адаптивная обработка 627
10.3.2.1.
Альтернативный алгоритм TV-SAP 628
10.3.2.2.
Сложность вычислений 630
10.3.3.
Экспериментальные результаты 632
10.3.3.1.
Обычное и изменяющееся во времени SMI-MVDR-формирование
диаграммы направленности 633
10.3.3.2.
Изменяющееся по времени (нестационарное) LSMI-MVDR-
формирование диаграммы направленности 636
10.3.3.3.
Применение TV-SAP-метода с ограничениями, управляемыми
данными 638
10.3.3.4.
Сравнение со стохастическими ограничениями 640
10.4.
Постдоплеровские методы 645
10.4.1.
Практическое применение 645
10.4.1.1.
Пассивная радиолокация 646
10.4.1.2.
PCL-система загоризонтных ВЧ-РЛС 648
10.4.1.3.
Обычная схема обработки сигнала 652
10.4.2.
Зависящее от дальности адаптивное формирование диаграммы
направленности 654
10.4.2.1.
Традиционное адаптивное формирование диаграммы
направленности 655
10.4.2.2.
RD-SAP-метод постдоплеровской обработки 656
10.4.3.
Развернутый анализ данных 660
10.4.3.1.
Эмпирические характеристики работающего приемника 661
10.4.3.2.
Распределение обнаружений 662
10.4.3.3.
Индикация отслеживания начала траектории цели 665
Глава 11. Пространственно-временная адаптивная обработка 668
11.1.
Архитектура STAP 669
11.1.1.
STAP в области медленного времени 670
11.1.2.
STAP в области быстрого времени 672
11.1.3.
3D-STAP 675
11.2.
Модель данных 677
11.2.1.
Композитный сигнал 677
11.2.2.
«Холодные» помехи 679
11.2.3.
«Горячие» помехи 682
11.3.
Методы подавления помех 686
11.3.1.
Стандартные схемы 687
11.3.1.1.
Линейные детерминированные ограничения 688
11.3.1.2.
Не изменяющаяся по времени (стационарная) STAP 690
11.3.1.3.
Алгоритм STAP без ограничений 691
11.3.1.4.
Относительные достоинства и недостатки STAP 691
11.3.2.
Альтернативные процедуры 692
11.3.2.1.
Алгоритм STAP со стохастическими ограничениями (SC-STAP) 693
11.3.2.2.
Изменяющийся во времени алгоритм STAP (TV-STAP) 696
11.3.3.
Результаты моделирования 700
11.3.3.1.
Подавление «горячих» помех 701
11.3.3.2.
Обработка «холодных» помех 703
11.3.3.3.
Схемы для практического применения 705
11.4.
Реализация алгоритма STAP для постдоплеровских частот 708
11.4.1.
Описание алгоритма 709
11.4.2.
Экспериментальные результаты 716
11.4.2.1.
Отображение дальности и доплеровского сдвига цели 718
11.4.2.2.
Сигнатура доплеровского сдвига по времени 720
11.4.3.
Заключение 722
Глава 12. Схемы обнаружения с помощью обобщенного критерия отношения
правдоподобия (GLRT — Generalized Likelihood-Ratio Test) 725
12.1.
Постановка задачи 726
12.1.1.
Предпосылки и формулировка задачи 727
12.1.2.
Традиционные критерии проверки гипотез 731
12.1.3.
Альтернативные бинарные критерии 735
12.1.3.1.
Обобщенные критерии одновременной проверки нескольких
гипотез (GMHT — Generalized Multi-Hypothesis Tests) 737
12.2.
Модели измерений 738
12.2.1.
Процесс возникновения помех 738
12.2.1.1.
Однородный гауссов случай 739
12.2.1.2.
Смешанная гауссова модель 739
12.2.1.3.
Сферически инвариантный случайный процесс (SIRP) 740
12.2.2.
Полезный сигнал 742
12.2.2.1.
Отметка дискретной цели 742
12.2.2.2.
Расширенные полезные сигналы 743
12.2.2.3.
Распределенные полезные сигналы 746
12.2.3.
Когерентная интерференция 748
12.3.
Схемы обработки 750
12.3.1.
Одно- и двухэтапные методы GLRT 750
12.3.1.1.
Метод GLRT, предложенный Kelly 751
12.3.1.2.
Адаптивный согласованный фильтр (AMF) 752
12.3.1.3.
Альтернативное выражение для GLRT 753
12.3.2.
Частично однородный случай 754
12.3.2.1.
Aдаптивное устройство оценки когерентности (ACE) 754
12.3.2.2.
Адаптивный детектор подпространства
(ASD — Adaptive Subspace Detector) 754
12.3.2.3.
Обобщенные детекторы подпространства
(GSD — Generalized Subspace Detectors) 755
12.3.3.
Обнаружение целей на совместном множестве данных 759
12.3.3.1.
Однородный случай 759
12.3.3.2.
Мультиранговые сигналы и частично однородные помехи 763
12.4.
Практическое применение 766
12.4.1.
Пространственная обработка 766
12.4.1.1.
Эксперимент на РЛС Jindalee 766
12.4.1.2.
Эксперимент на загоризонтной РЛС Iluka 774
12.4.2.
Временная обработка 779
12.4.3.
Комбинированные методы 783
Глава 13. Оценка сигнала слепыми методами 786
13.1.
Постановка задачи 787
13.1.1.
Модель многолучевости 788
13.1.1.1.
Принимаемый сигнал 790
13.1.1.2.
Локализованное рассеяние 792
13.1.1.3.
Данные принятых сигналов 793
13.1.1.4.
Множественные источники 795
13.1.2.
Цели обработки 796
13.1.2.1.
Оценка сигнала 796
13.1.2.2.
Оценка канала 798
13.1.2.3.
Основные предположения и допущения 799
13.1.3.
Пример для объяснения 800
13.2.
Стандартные методы 802
13.2.1.
Слепой метод идентификации системы 802
13.2.2.
Слепое разделение сигнала 806
13.2.2.1.
Методы на основе многообразия 809
13.2.2.2.
Методы на основе знаний параметров источника 811
13.2.3.
Выводы 811
13.3.
Алгоритм GEMS 812
13.3.1.
Обработка при отсутствии шума 812
13.3.1.1.
Единичный источник 813
13.3.1.2.
Множественные источники 816
13.3.1.3.
НКР-модель 818
13.3.2.
Порядок работы 819
13.3.3.
Вычислительная сложность 823
13.4.
Эксперимент SIMO 826
13.4.1.
Сбор данных 827
13.4.2.
Методы копирования сигнала 829
13.4.3.
Применение алгоритма GEMS 831
13.4.3.1.
Оценка сигнала с помощью алгоритма GEMS 831
13.4.3.2.
Оценка волнового фронта с помощью алгоритма GEMS 834
13.4.3.3.
КР и НКР волновые фронты 836
13.5.
MIMO-эксперимент 837
13.5.1.
Сбор данных 838
13.5.2.
Разделение сигнала по источникам и многолучевости 839
13.5.3.
Радиолокационные приложения 841
13.6.
Однопозиционная геолокация 844
13.6.1.
Предпосылки и мотивация 844
13.6.2.
Сбор данных 847
13.6.3.
Метод геолокации 849
13.6.3.1.
Фазовые измерения 849
13.6.3.2.
Измерения временной задержки 852
13.6.3.3.
Комбинированные измерения 854
13.6.4.
Заключение и планы на будущее 855
ЧАСТЬ IV. ПРИЛОЖЕНИЯ И ЛИТЕРАТУРА 856
Приложение A. Распределение выборочной АКП 856
Приложение В. Пространственно-временная разделимость 861
Приложение С. Модальное разложение 863
Литература 865
Предметный указатель 906
Предисловие редактора перевода
Уважаемые читатели!
Представляемая вашему вниманию книга посвящена интереснейшей проблеме современ-
ной радиолокации — проектированию и разработке загоризонтных РЛС. Ее автор Джу-
зеппе А. Фабрицио является крупным и весьма авторитетным экспертом в области про-
ектирования таких радиолокаторов. Работая в Организации оборонной науки и техники
(DSTO — Defense Science and Technology Organization) Австралии, занимая должность ве-
дущего научного сотрудника отдела адаптивной обработки сигналов в подразделении, за-
нимающемся загоризонтной радиолокацией, Дж. А. Фабрицио посвящает много времени
исследованиям и разработкам новых методов и алгоритмов обработки информации. Сле-
дует отметить, что Австралия достаточно давно и небезуспешно занимается проблемати-
кой загоризонтной радиолокации, имеет определенные успехи в разработках ЗГ РЛС, хотя
«монополизм» России и США в этой отрасли будет сохраняться достаточно долго, по край-
ней мере ближайшие 20–30 лет.
Несмотря на то что книга написана несколько лет назад, выпуск ее русского перево-
да несколько задержался. Это связано с целым рядом обстоятельств. Во-первых, издатель-
ство не до конца было уверено в том, что перевод будет пользоваться спросом: проблемами практического применения загоризонтной радиолокации в России занимается небольшое число научно-производственных компаний. Однако неожиданный успех вышедшей в начале 2017 года монографии В. Ф. Акимова и Ю. К. Калинина «Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов» под редакцией С. Ф. Боева показал востребованность серьезных публикаций по этой проблематике и стимулировал ускорение работы по подготовке перевода.
Интересно отметить, что книга Дж. Фабрицио не может считаться какой-либо альтер-
нативой монографии российских авторов. Совместный анализ обоих изданий показыва-
ет, что они хорошо дополняют друг друга: в российской монографии упор сделан на рас-
смотрение физических основ и принципов проектирования загоризонтных РЛС, книга
Дж. Фабрицио посвящена в значительной степени вопросам обработки информации (сиг-
налы, первичная обработка, вторичная обработка и т. д.). Таким образом, это «двухкни-
жие» представляет собой великолепное справочное пособие по проектированию и разра-
ботке загоризонтных радиолокаторов, по сути дела, «настольную книгу» как для главного
конструктора, так и для всех ведущих разработчиков.
Знакомство с книгой Дж. Фабрицио, на наш взгляд, будет полезно и для начинающих
инженеров, и для зрелых специалистов. В частности, прочитав эту книгу, любой инженер,
интересующийся радиоинформационными технологиями, поймет, насколько интересна,
обширна и, видимо, неисчерпаема тематика загоризонтной радиолокации. Имеющий-
ся (в первую очередь в России и США) практический опыт создания загоризонтных РЛС
показал их перспективность для решения целого ряда специальных, научных и народно-
хозяйственных задач. Вместе с тем этот опыт показал, что многие научно-технические
проблемы, решенные разработчиками загоризонтных РЛС на инженерном уровне и, воз-
можно, неоптимальным образом, требуют научного «осмысления» и оптимизации. Прин-
ципиальная задача — обеспечение эффективной работы РЛС в условиях воздействия ре-
альной среды распространения радиоволн, похоже, является задачей для радиофизиков
«на все времена». Остается множество вопросов, касающихся антенной техники, повы-
шения информационно-энергетических характеристик, выбора наиболее эффективных
параметров зондирующих сигналов. Наконец, «вечная» проблема — проблема обработки
информации и максимизации объема информации, получаемой от загоризонтных РЛС.
Все это дает основания полагать, что книга Дж. Фабрицио — не последняя работа по про-
блематике загоризонтной радиолокации.
Хотелось бы отметить одну проблему, с которой пришлось столкнуться в ходе подготов-
ки перевода книги. Дело в том, что, видимо, вследствие недостаточной координации между
разработчиками разных стран сложившаяся терминология по этому научно-техническому
направлению в нашей стране и за рубежом не совпадает. В связи с этим хочется заранее
принести извинения за те возможные неточности, которые читатели, особенно те, которые
знакомы с рассматриваемой проблематикой, могут встретить на страницах переводного
издания. Уверены, что эти возможные неточности не приведут к искажению физической
сущности рассматриваемых вопросов и не запутают читателей.
В заключение хочется выразить большую благодарность целому ряду специалистов,
поработавшим над переводом и над его последующим редактированием: Ф. Ф. Евстратову,
В. А. Собчуку, В. Ф. Акимову, Ю. К. Калинину, Т. А. Колосовой, А. В. Морозу, и некоторым
другим специалистам АО «РТИ», НИИДАРа, РТИ им. А. Л. Минца. Уверены, что это из-
дание послужит не одному поколению российских ученых и инженеров, работающих в об-
ласти загоризонтной радиолокации и радиолокации в целом!
Доктор технических наук,
доктор экономических наук, профессор,
лауреат Государственной премии С. Ф. Боев.
Кандидат технических наук, доцент Д. Д. Ступин
Об авторе
Джузеппе Аурелиано Фабрицио в 1992 году получил с отличием степень бакалавра, а в 2000 — степень доктора наук факультета электротехники и электронной техники университета Аделаиды, Австралия. С 1993 года д-р Фабрицио работает в научно- исследовательском институте Министерства обороны Австралии
(DSTO — Defence Science and Technology Organization), в котором осуществляет научное руководство по средствам электронной борьбы (EW) и адаптивной обработке сигналов в отделении КВ- радиолокации. Д-р Фабрицио отвечает за разработку и практическую реализацию инновационных и надежных методов адаптивной
обработки сигналов, работает над повышением эксплуатационных характеристик современных радиолокационных загоризонтных систем. Он старший член Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronic Engineer) и автор более 50 научных публикаций в журналах и трудах конференций. Д-р Фабрицио был дважды (в 2003 и 2004 гг.) годах удостоен престижной премии М. Барри Карлтона (M. Barry Carlton) за лучшую статью года, опубликованную в журнале IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам (AES). В 2007 году он стал лауреатом почетной премии DSTO в знак признания его вклада в адаптивную обработку сигналов загоризонтной радиолокационной сети JORN
(Jindalee Operational Radar Network). В том же году он получил грант научного оборонно-
го общества DSTO на проведение совместных исследований в университете La Sapienza
в Риме, Италия. Д-р Фабрицио вел учебные семинары по загоризонтной радиолокации
на конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году, и на Междуна-
родной конференции IEEE по радиолокации 2010 года в Вашингтоне. Он представитель
Австралии в Международной секции радиолокационных систем IEEE, а в настоящее вре-
мя занимает пост вице-президента по образованию в Совете управляющих Общества аэро-
космических и электронных систем AESS (Aerospace and Electronic Systems Society). Д-р
Фабрицио сотрудничает с международными оборонными ведомствами в рамках Мемо-
рандума о взаимопонимании и является национальным представителем в исследователь-
ской группе НАТО по вопросам динамического разделения сигналов (DWD — Dynamic
Waveform Diversity) (SET-179). Он также официально сотрудничает с промышленностью,
в том числе с Raytheon, Lockheed Martin и BAE Systems, а также с многочисленными на-
учными институтами как в Австралии, так и за рубежом. В 2011 году за вклад в развитие
загоризонтной радиолокации и обработки радиолокационных сигналов д-р Фабрицио
был удостоен премии IEEE в области радиолокации в честь Фреда Натансона. Он подго-
товил первое издание High Frequency Over-the-Horizon Radar: Fundamental Principles, Signal
Processing, and Practical Applications («Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение»), которое дополняет существующую литературу по радиолокации и может стать основой для дальнейших исследований в данной области.
С любовью посвящаю памяти моего отца и моей семье
Предисловие
В отличие от множества монографий, посвященных радиолокации в микроволновом диа-
пазоне, до сих пор только одна работа была посвящена исключительно теме коротковол-
новой загоризонтной радиолокации. Это книга «Основы загоризонтной радиолокации»,
изданная под редакцией А. А. Колосова, изначально опубликованная на русском языке
(«Радио и связь», 1984), а затем переведенная на английский язык Бартоном (W. F. Barton,
Artech House, Norwood, MA, 1987). До сих пор эта монография содержит множество цен-
ной информации, но ее содержание не обновлялось со времени первого издания и поэтому
не охватывает тот огромный прогресс, который достигнут в области загоризонтной радио-
локации в течение двух последних десятилетий.
В главе, посвященной загоризонтной радиолокации, в авторитетном издании «Спра-
вочника по радиолокации»1 под редакцией М. Сколника и в соавторстве с Дж. Хедриком
и С. Андерсоном (3-е издание, McGraw-Hill, 2008) дан превосходный обзор основных
понятий, но ограниченный объем главы неминуемо снизил глубину трактовки, что, воз-
можно, наиболее заметно в области обработки сигналов, которая играет ключевую роль
в повышении качественных показателей современных загоризонтных радиолокационных
систем. Учитывая сильный всплеск интереса к системам загоризонтного радионаблюдения
в международном радиолокационном сообществе, включая оборонную, коммерческую
и научную сферы, вполне уместно и своевременно изложить информацию о значительных
успехах в загоризонтной радиолокации, которые произошли за последние 20 лет, чему полностью посвящено настоящее издание.
Основная цель данной книги состоит в том, чтобы представить новейшие достижения
в области загоризонтных радиолокационных систем (ЗГ РЛС). При этом основное внима-
ние уделено подробному описанию методов и моделей обработки сигналов, которые в зна-
чительной степени способствовали внедрению самых современных технологий в ЗГ РЛС,
но недостаточно подробно изложены в существующей литературе. Настоящее издание на-
правлено на преодоление этого разрыва. Книга отличается цельностью изложения и вклю-
чает описание основных принципов проектирования и эксплуатации ЗГ РЛС на более до-
ступном уровне для читателей, не имеющих предварительных знаний в данной области.
При этом сделана попытка объединить большое количество ранее разобщенных публика-
ций по теме ЗГ РЛС и адаптивной обработки сигналов на единой платформе, используя
обширный список цитирования с тем, чтобы показать связи между многочисленными тео-
ретическими и экспериментальными работами, опубликованными в этих областях.
Отличительная особенность данной книги заключается в удачном включении экспе-
риментальных результатов, полученных при практической эксплуатации ЗГ РЛС, исполь-
зующих ионосферное распространение и поверхностные волны, для иллюстрации прак-
тических применений методов обработки данных. Ожидается, что этот аспект книги будет
представлять интерес для научных сотрудников и инженеров, желающих получить более
детальное представление о данной технологии, а также для инженеров-практиков и иссле-
дователей, заинтересованных в разработке надежных алгоритмов обработки сигналов для
реальных систем. Хотелось бы надеяться, что эта книга также вызовет энтузиазм у молодых
ученых и инженеров при изучении проблем ЗГ РЛС и радиолокации в целом.
Благодарности
Возможность написать эту книгу и представить ее международному радарному сообще-
ству — большая честь для автора, ведь это была совместная работа с исключительно та-
лантливой командой ученых, инженеров и профессионалов в Научно-исследовательском
институте Министерства обороны Австралии (DSTO). Особую признательность за под-
держку данного проекта автор хотел бы выразить руководителю службы технической раз-
ведки и наблюдения ISRD (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Division) д-ру Тони
Линдсею (Dr. Tony Lindsay). Также хочется искренне поблагодарить научного руководителя
направления ЗГ РЛС д-ра Гордона Фрейзера (Dr. Gordon Frazer) и руководителя группы
обработки и распространения сигналов д-ра МайкаТарли (Dr. Mike Turley) за их многолет-
нюю поддержку этой работы и ее автора.
С особой теплотой хотелось бы поблагодарить бывшего руководителя ISRD д-ра Мал-
колма Голли (Dr. Malcolm Golley) за доверие, оказанное автору, когда он, будучи моло-
дым инженером, решил получить докторскую степень в области адаптивной обработки
в ЗГ РЛС. Поддержка этих исследований д-ром Голли и его вдохновляющее руководство
способствовали профессиональному росту автора. Также нельзя не отметить проф. Дага
Грея (Prof. Doug Gray), проф. Юрия Абрамовича (Prof. Yuri Abramovich) и проф. Стюарта
Андерсона (Prof. Stuart Anderson), которые были наставниками автора все эти годы. Так,
в основе большинства исследований, описанных во II части книги, лежат направления,
впервые предложенные проф. Абрамовичем.
Работа над этой книгой велась при активной поддержке со стороны коллеги и друга
автора — проф. Алонсо Фарина (Prof. Alfonso Farina). Продолжительное и успешное тех-
ническое сотрудничество с проф. Фарина стало большой удачей для автора. Автор также
благодарен проф. Фарина за проведение совместных исследований по программе оборон-
ной науки в Италии и организацию первого учебного семинара по загоризонтной радио-
локации в рамках конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году.
Это стало исключительно благоприятной возможностью для формирования основной
структуры книги. И, что самое важное, автор глубоко признателен проф. Фарина как свое-
му учителю в профессии за его мудрое наставничество.
В написании книги очень помогло использование материалов, предоставленных мно-
жеством бывших и настоящих сотрудников ISRD. Автор благодарен нескольким коллегам
по DSTO за экспертную проверку отдельных разделов; в частности, ценные рекомендации
были получены от д-ра Тони Линдсея, д-ра Майка Тарли, д-ра Тревора Харриса (Dr. Trevor
Harris), д-ра Мануэля Сервера (Dr. Manuel Cervera), Марка Тайлера (Mr. Mark Tyler), д-ра
Девида Холдсворта (Dr. David Holdsworth), д-ра Джастина Прашифка (Dr. Justin Praschifka)
и д-ра Линдона Дарбриджа (Dr. Lyndon Durbridge). Особо хочется отметить помощь Ника
Спенсера (Mr. Nick Spencer) в правке корректуры некоторых разделов. Также автор при-
знателен Бретту Норсею (Mr. Brett Northey), Девиду Незервею (Dr. David Netherway) и д-ру
Эндрю Хейтману (Dr. Andrew Heitmann) за предоставление некоторых данных об окружаю-
щей среде. С особой теплотой хотелось бы поблагодарить Керри Бернс (Ms. Kerry Barnes)
и Ли Хейс (Ms. Lee Hayes) за их ценную помощь в наборе текста и проверке некоторых
ссылок.
Автор благодарен всем глубокоуважаемым внешним рецензентам за конструктивные
комментарии. В частности, отзывы по отдельным главам и техническим направлениям лю-
безно предоставили д-р Райан Риддолз (Dr. Ryan Riddolls) из научно-исследовательского
подразделения Министерства обороны Канады (Defence Research and Development,
Canada), проф. Ларри Марпл (Prof. Larry Marple, Georgia Tech Research Institute), д-р Де-
вид Эмери (Dr. David Emery, BAE Systems), д-р Джеффри Сан Антонио (Dr. Geoff rey San
Antonio, Naval Research Laboratory), д-р Фред Ирл (Dr. Fred Earl, National Systems), д-р Бен
Джонсон (Dr. Ben Johnson, Lockheed Martin), д-р Джим Барнум (Dr. Jim Barnum, SRI
International), д-р Дональд Беррик (Dr. Donald Barrick, Codar Ocean Sensors) и д-р Л. Дж.
Никич (Dr. L. J. Nickisch, Northwest Research Associates).
Как автору, так и его книге много дало общение с коллегами из широких научных кру-
гов, работающими в сфере радиолокации и обработки сигналов. В частности, автор вы-
соко ценит дружбу и сотрудничество с проф. Алексом Гершманом (Prof. Alex Gershman),
проф. Фульвио Гини (Prof. Fulvio Gini) и проф. Луи Шарфом (Prof. Louis Scharf), благодаря
которым были разработаны методы обработки сигналов в РЛС, описанные в данной кни-
ге. Также хочу поблагодарить проф. Хью Гриффитса (Prof. Hugh Griffiths), д-ра Брахема
Хаймда (Dr. Braham Himed), проф. Германа Ролинга (Prof. Hermann Rohling), д-ра Билла
Мелвина (Dr. Bill Melvin), проф. Дона Синнота (Prof. Don Sinnott) и проф. Криса Бейкера
(Prof. Chris Baker) за обмен ценными знаниями и опытом на международных конференци-
ях и постоянную поддержку.
Автор искренне благодарен ответственному редактору издательства McGraw-Hill
Professional Венди Ринальди (Ms. Wendy Rinaldi) и всей редакционной команде за отличную
организацию работы над книгой. И, наконец, автор с любовью благодарит свою жену Лу-
крецию за ее стойкость, поддержку и терпение, особенно после переезда в Австралию с но-
ворожденным сыном Леонардо. Без ее помощи и ободрения текст книги никогда не был бы
готов в сроки, установленные планом подготовки к публикации.
Аббревиатуры
ABORT Adaptive Beamformer Orthogonal Rejection Test, многоранговый вариант кри-
терия ортогонального подавления помех в адаптивном формирователе диа-
граммы направленности
ACS Auto-Correlation Sequence, автокорреляционная последовательность (АКП)
ACF Auto-Correlation Function, автокорреляционная функция (АКФ)
ACE Adaptive Coherence Estimator, адаптивное устройство оценки когерентности
ADC Analog-to-Digital Converter, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
AEW Airborne Early-Warning, бортовые радары дальнего радиолокационного обна-
ружения
AF Ambiguity Function, функция неопределенности (ФН)
AGC Automatic Gain Contro
Уважаемые читатели!
Представляемая вашему вниманию книга посвящена интереснейшей проблеме современ-
ной радиолокации — проектированию и разработке загоризонтных РЛС. Ее автор Джу-
зеппе А. Фабрицио является крупным и весьма авторитетным экспертом в области про-
ектирования таких радиолокаторов. Работая в Организации оборонной науки и техники
(DSTO — Defense Science and Technology Organization) Австралии, занимая должность ве-
дущего научного сотрудника отдела адаптивной обработки сигналов в подразделении, за-
нимающемся загоризонтной радиолокацией, Дж. А. Фабрицио посвящает много времени
исследованиям и разработкам новых методов и алгоритмов обработки информации. Сле-
дует отметить, что Австралия достаточно давно и небезуспешно занимается проблемати-
кой загоризонтной радиолокации, имеет определенные успехи в разработках ЗГ РЛС, хотя
«монополизм» России и США в этой отрасли будет сохраняться достаточно долго, по край-
ней мере ближайшие 20–30 лет.
Несмотря на то что книга написана несколько лет назад, выпуск ее русского перево-
да несколько задержался. Это связано с целым рядом обстоятельств. Во-первых, издатель-
ство не до конца было уверено в том, что перевод будет пользоваться спросом: проблемами практического применения загоризонтной радиолокации в России занимается небольшое число научно-производственных компаний. Однако неожиданный успех вышедшей в начале 2017 года монографии В. Ф. Акимова и Ю. К. Калинина «Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов» под редакцией С. Ф. Боева показал востребованность серьезных публикаций по этой проблематике и стимулировал ускорение работы по подготовке перевода.
Интересно отметить, что книга Дж. Фабрицио не может считаться какой-либо альтер-
нативой монографии российских авторов. Совместный анализ обоих изданий показыва-
ет, что они хорошо дополняют друг друга: в российской монографии упор сделан на рас-
смотрение физических основ и принципов проектирования загоризонтных РЛС, книга
Дж. Фабрицио посвящена в значительной степени вопросам обработки информации (сиг-
налы, первичная обработка, вторичная обработка и т. д.). Таким образом, это «двухкни-
жие» представляет собой великолепное справочное пособие по проектированию и разра-
ботке загоризонтных радиолокаторов, по сути дела, «настольную книгу» как для главного
конструктора, так и для всех ведущих разработчиков.
Знакомство с книгой Дж. Фабрицио, на наш взгляд, будет полезно и для начинающих
инженеров, и для зрелых специалистов. В частности, прочитав эту книгу, любой инженер,
интересующийся радиоинформационными технологиями, поймет, насколько интересна,
обширна и, видимо, неисчерпаема тематика загоризонтной радиолокации. Имеющий-
ся (в первую очередь в России и США) практический опыт создания загоризонтных РЛС
показал их перспективность для решения целого ряда специальных, научных и народно-
хозяйственных задач. Вместе с тем этот опыт показал, что многие научно-технические
проблемы, решенные разработчиками загоризонтных РЛС на инженерном уровне и, воз-
можно, неоптимальным образом, требуют научного «осмысления» и оптимизации. Прин-
ципиальная задача — обеспечение эффективной работы РЛС в условиях воздействия ре-
альной среды распространения радиоволн, похоже, является задачей для радиофизиков
«на все времена». Остается множество вопросов, касающихся антенной техники, повы-
шения информационно-энергетических характеристик, выбора наиболее эффективных
параметров зондирующих сигналов. Наконец, «вечная» проблема — проблема обработки
информации и максимизации объема информации, получаемой от загоризонтных РЛС.
Все это дает основания полагать, что книга Дж. Фабрицио — не последняя работа по про-
блематике загоризонтной радиолокации.
Хотелось бы отметить одну проблему, с которой пришлось столкнуться в ходе подготов-
ки перевода книги. Дело в том, что, видимо, вследствие недостаточной координации между
разработчиками разных стран сложившаяся терминология по этому научно-техническому
направлению в нашей стране и за рубежом не совпадает. В связи с этим хочется заранее
принести извинения за те возможные неточности, которые читатели, особенно те, которые
знакомы с рассматриваемой проблематикой, могут встретить на страницах переводного
издания. Уверены, что эти возможные неточности не приведут к искажению физической
сущности рассматриваемых вопросов и не запутают читателей.
В заключение хочется выразить большую благодарность целому ряду специалистов,
поработавшим над переводом и над его последующим редактированием: Ф. Ф. Евстратову,
В. А. Собчуку, В. Ф. Акимову, Ю. К. Калинину, Т. А. Колосовой, А. В. Морозу, и некоторым
другим специалистам АО «РТИ», НИИДАРа, РТИ им. А. Л. Минца. Уверены, что это из-
дание послужит не одному поколению российских ученых и инженеров, работающих в об-
ласти загоризонтной радиолокации и радиолокации в целом!
Доктор технических наук,
доктор экономических наук, профессор,
лауреат Государственной премии С. Ф. Боев.
Кандидат технических наук, доцент Д. Д. Ступин
Об авторе
Джузеппе Аурелиано Фабрицио в 1992 году получил с отличием степень бакалавра, а в 2000 — степень доктора наук факультета электротехники и электронной техники университета Аделаиды, Австралия. С 1993 года д-р Фабрицио работает в научно- исследовательском институте Министерства обороны Австралии
(DSTO — Defence Science and Technology Organization), в котором осуществляет научное руководство по средствам электронной борьбы (EW) и адаптивной обработке сигналов в отделении КВ- радиолокации. Д-р Фабрицио отвечает за разработку и практическую реализацию инновационных и надежных методов адаптивной
обработки сигналов, работает над повышением эксплуатационных характеристик современных радиолокационных загоризонтных систем. Он старший член Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE — Institute of Electrical and Electronic Engineer) и автор более 50 научных публикаций в журналах и трудах конференций. Д-р Фабрицио был дважды (в 2003 и 2004 гг.) годах удостоен престижной премии М. Барри Карлтона (M. Barry Carlton) за лучшую статью года, опубликованную в журнале IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам (AES). В 2007 году он стал лауреатом почетной премии DSTO в знак признания его вклада в адаптивную обработку сигналов загоризонтной радиолокационной сети JORN
(Jindalee Operational Radar Network). В том же году он получил грант научного оборонно-
го общества DSTO на проведение совместных исследований в университете La Sapienza
в Риме, Италия. Д-р Фабрицио вел учебные семинары по загоризонтной радиолокации
на конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году, и на Междуна-
родной конференции IEEE по радиолокации 2010 года в Вашингтоне. Он представитель
Австралии в Международной секции радиолокационных систем IEEE, а в настоящее вре-
мя занимает пост вице-президента по образованию в Совете управляющих Общества аэро-
космических и электронных систем AESS (Aerospace and Electronic Systems Society). Д-р
Фабрицио сотрудничает с международными оборонными ведомствами в рамках Мемо-
рандума о взаимопонимании и является национальным представителем в исследователь-
ской группе НАТО по вопросам динамического разделения сигналов (DWD — Dynamic
Waveform Diversity) (SET-179). Он также официально сотрудничает с промышленностью,
в том числе с Raytheon, Lockheed Martin и BAE Systems, а также с многочисленными на-
учными институтами как в Австралии, так и за рубежом. В 2011 году за вклад в развитие
загоризонтной радиолокации и обработки радиолокационных сигналов д-р Фабрицио
был удостоен премии IEEE в области радиолокации в честь Фреда Натансона. Он подго-
товил первое издание High Frequency Over-the-Horizon Radar: Fundamental Principles, Signal
Processing, and Practical Applications («Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение»), которое дополняет существующую литературу по радиолокации и может стать основой для дальнейших исследований в данной области.
С любовью посвящаю памяти моего отца и моей семье
Предисловие
В отличие от множества монографий, посвященных радиолокации в микроволновом диа-
пазоне, до сих пор только одна работа была посвящена исключительно теме коротковол-
новой загоризонтной радиолокации. Это книга «Основы загоризонтной радиолокации»,
изданная под редакцией А. А. Колосова, изначально опубликованная на русском языке
(«Радио и связь», 1984), а затем переведенная на английский язык Бартоном (W. F. Barton,
Artech House, Norwood, MA, 1987). До сих пор эта монография содержит множество цен-
ной информации, но ее содержание не обновлялось со времени первого издания и поэтому
не охватывает тот огромный прогресс, который достигнут в области загоризонтной радио-
локации в течение двух последних десятилетий.
В главе, посвященной загоризонтной радиолокации, в авторитетном издании «Спра-
вочника по радиолокации»1 под редакцией М. Сколника и в соавторстве с Дж. Хедриком
и С. Андерсоном (3-е издание, McGraw-Hill, 2008) дан превосходный обзор основных
понятий, но ограниченный объем главы неминуемо снизил глубину трактовки, что, воз-
можно, наиболее заметно в области обработки сигналов, которая играет ключевую роль
в повышении качественных показателей современных загоризонтных радиолокационных
систем. Учитывая сильный всплеск интереса к системам загоризонтного радионаблюдения
в международном радиолокационном сообществе, включая оборонную, коммерческую
и научную сферы, вполне уместно и своевременно изложить информацию о значительных
успехах в загоризонтной радиолокации, которые произошли за последние 20 лет, чему полностью посвящено настоящее издание.
Основная цель данной книги состоит в том, чтобы представить новейшие достижения
в области загоризонтных радиолокационных систем (ЗГ РЛС). При этом основное внима-
ние уделено подробному описанию методов и моделей обработки сигналов, которые в зна-
чительной степени способствовали внедрению самых современных технологий в ЗГ РЛС,
но недостаточно подробно изложены в существующей литературе. Настоящее издание на-
правлено на преодоление этого разрыва. Книга отличается цельностью изложения и вклю-
чает описание основных принципов проектирования и эксплуатации ЗГ РЛС на более до-
ступном уровне для читателей, не имеющих предварительных знаний в данной области.
При этом сделана попытка объединить большое количество ранее разобщенных публика-
ций по теме ЗГ РЛС и адаптивной обработки сигналов на единой платформе, используя
обширный список цитирования с тем, чтобы показать связи между многочисленными тео-
ретическими и экспериментальными работами, опубликованными в этих областях.
Отличительная особенность данной книги заключается в удачном включении экспе-
риментальных результатов, полученных при практической эксплуатации ЗГ РЛС, исполь-
зующих ионосферное распространение и поверхностные волны, для иллюстрации прак-
тических применений методов обработки данных. Ожидается, что этот аспект книги будет
представлять интерес для научных сотрудников и инженеров, желающих получить более
детальное представление о данной технологии, а также для инженеров-практиков и иссле-
дователей, заинтересованных в разработке надежных алгоритмов обработки сигналов для
реальных систем. Хотелось бы надеяться, что эта книга также вызовет энтузиазм у молодых
ученых и инженеров при изучении проблем ЗГ РЛС и радиолокации в целом.
Благодарности
Возможность написать эту книгу и представить ее международному радарному сообще-
ству — большая честь для автора, ведь это была совместная работа с исключительно та-
лантливой командой ученых, инженеров и профессионалов в Научно-исследовательском
институте Министерства обороны Австралии (DSTO). Особую признательность за под-
держку данного проекта автор хотел бы выразить руководителю службы технической раз-
ведки и наблюдения ISRD (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance Division) д-ру Тони
Линдсею (Dr. Tony Lindsay). Также хочется искренне поблагодарить научного руководителя
направления ЗГ РЛС д-ра Гордона Фрейзера (Dr. Gordon Frazer) и руководителя группы
обработки и распространения сигналов д-ра МайкаТарли (Dr. Mike Turley) за их многолет-
нюю поддержку этой работы и ее автора.
С особой теплотой хотелось бы поблагодарить бывшего руководителя ISRD д-ра Мал-
колма Голли (Dr. Malcolm Golley) за доверие, оказанное автору, когда он, будучи моло-
дым инженером, решил получить докторскую степень в области адаптивной обработки
в ЗГ РЛС. Поддержка этих исследований д-ром Голли и его вдохновляющее руководство
способствовали профессиональному росту автора. Также нельзя не отметить проф. Дага
Грея (Prof. Doug Gray), проф. Юрия Абрамовича (Prof. Yuri Abramovich) и проф. Стюарта
Андерсона (Prof. Stuart Anderson), которые были наставниками автора все эти годы. Так,
в основе большинства исследований, описанных во II части книги, лежат направления,
впервые предложенные проф. Абрамовичем.
Работа над этой книгой велась при активной поддержке со стороны коллеги и друга
автора — проф. Алонсо Фарина (Prof. Alfonso Farina). Продолжительное и успешное тех-
ническое сотрудничество с проф. Фарина стало большой удачей для автора. Автор также
благодарен проф. Фарина за проведение совместных исследований по программе оборон-
ной науки в Италии и организацию первого учебного семинара по загоризонтной радио-
локации в рамках конференции IEEE по радиолокации, проходившей в Риме в 2008 году.
Это стало исключительно благоприятной возможностью для формирования основной
структуры книги. И, что самое важное, автор глубоко признателен проф. Фарина как свое-
му учителю в профессии за его мудрое наставничество.
В написании книги очень помогло использование материалов, предоставленных мно-
жеством бывших и настоящих сотрудников ISRD. Автор благодарен нескольким коллегам
по DSTO за экспертную проверку отдельных разделов; в частности, ценные рекомендации
были получены от д-ра Тони Линдсея, д-ра Майка Тарли, д-ра Тревора Харриса (Dr. Trevor
Harris), д-ра Мануэля Сервера (Dr. Manuel Cervera), Марка Тайлера (Mr. Mark Tyler), д-ра
Девида Холдсворта (Dr. David Holdsworth), д-ра Джастина Прашифка (Dr. Justin Praschifka)
и д-ра Линдона Дарбриджа (Dr. Lyndon Durbridge). Особо хочется отметить помощь Ника
Спенсера (Mr. Nick Spencer) в правке корректуры некоторых разделов. Также автор при-
знателен Бретту Норсею (Mr. Brett Northey), Девиду Незервею (Dr. David Netherway) и д-ру
Эндрю Хейтману (Dr. Andrew Heitmann) за предоставление некоторых данных об окружаю-
щей среде. С особой теплотой хотелось бы поблагодарить Керри Бернс (Ms. Kerry Barnes)
и Ли Хейс (Ms. Lee Hayes) за их ценную помощь в наборе текста и проверке некоторых
ссылок.
Автор благодарен всем глубокоуважаемым внешним рецензентам за конструктивные
комментарии. В частности, отзывы по отдельным главам и техническим направлениям лю-
безно предоставили д-р Райан Риддолз (Dr. Ryan Riddolls) из научно-исследовательского
подразделения Министерства обороны Канады (Defence Research and Development,
Canada), проф. Ларри Марпл (Prof. Larry Marple, Georgia Tech Research Institute), д-р Де-
вид Эмери (Dr. David Emery, BAE Systems), д-р Джеффри Сан Антонио (Dr. Geoff rey San
Antonio, Naval Research Laboratory), д-р Фред Ирл (Dr. Fred Earl, National Systems), д-р Бен
Джонсон (Dr. Ben Johnson, Lockheed Martin), д-р Джим Барнум (Dr. Jim Barnum, SRI
International), д-р Дональд Беррик (Dr. Donald Barrick, Codar Ocean Sensors) и д-р Л. Дж.
Никич (Dr. L. J. Nickisch, Northwest Research Associates).
Как автору, так и его книге много дало общение с коллегами из широких научных кру-
гов, работающими в сфере радиолокации и обработки сигналов. В частности, автор вы-
соко ценит дружбу и сотрудничество с проф. Алексом Гершманом (Prof. Alex Gershman),
проф. Фульвио Гини (Prof. Fulvio Gini) и проф. Луи Шарфом (Prof. Louis Scharf), благодаря
которым были разработаны методы обработки сигналов в РЛС, описанные в данной кни-
ге. Также хочу поблагодарить проф. Хью Гриффитса (Prof. Hugh Griffiths), д-ра Брахема
Хаймда (Dr. Braham Himed), проф. Германа Ролинга (Prof. Hermann Rohling), д-ра Билла
Мелвина (Dr. Bill Melvin), проф. Дона Синнота (Prof. Don Sinnott) и проф. Криса Бейкера
(Prof. Chris Baker) за обмен ценными знаниями и опытом на международных конференци-
ях и постоянную поддержку.
Автор искренне благодарен ответственному редактору издательства McGraw-Hill
Professional Венди Ринальди (Ms. Wendy Rinaldi) и всей редакционной команде за отличную
организацию работы над книгой. И, наконец, автор с любовью благодарит свою жену Лу-
крецию за ее стойкость, поддержку и терпение, особенно после переезда в Австралию с но-
ворожденным сыном Леонардо. Без ее помощи и ободрения текст книги никогда не был бы
готов в сроки, установленные планом подготовки к публикации.
Аббревиатуры
ABORT Adaptive Beamformer Orthogonal Rejection Test, многоранговый вариант кри-
терия ортогонального подавления помех в адаптивном формирователе диа-
граммы направленности
ACS Auto-Correlation Sequence, автокорреляционная последовательность (АКП)
ACF Auto-Correlation Function, автокорреляционная функция (АКФ)
ACE Adaptive Coherence Estimator, адаптивное устройство оценки когерентности
ADC Analog-to-Digital Converter, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
AEW Airborne Early-Warning, бортовые радары дальнего радиолокационного обна-
ружения
AF Ambiguity Function, функция неопределенности (ФН)
AGC Automatic Gain Contro