Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов. Том 1. Поляризация плоских электромагнитных волн и её преобразования

В.Н. ТАТАРИНОВ С.В. ТАТАРИНОВ Л.П. ЛИГТХАРТ

ВВЕДЕНИЕ В СОВРЕМЕННУЮ ТЕОРИЮ

ПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

	PXY	Im P XY
	3
XY		R
P2
		PS
		2
	H	V
		O

PS

1

PXY

1

Re PXY

L

1

В.Н.ТАТАРИНОВ, С.В.ТАТАРИНОВ, Л.П.ЛИГТХАРТ

ВВЕДЕНИЕ В СОВРЕМЕННУЮ ТЕОРИЮ

ПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

Под редакцией В.Н.ТАТАРИНОВА

ТОМ ПЕРВЫЙ

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПЛОСКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ЕЁ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Издание второе, стереотипное

2

Профессор

Владислав Александрович Потехин

3

Светлой памяти профессора

Владислава Александровича Потехина

посвящается эта книга

4

УДК 621.396.96 ББК 32.845 Т12

Н А У Ч Н А Я С Е Р И Я

П О Л Я Р И З А Ц И Я Р А Д И О В О Л Н

Редактор серии А.И.Козлов

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :

Н.В. Акиншин, Б.Г. Кутуза, А.И. Логвин, Д.С. Лукин, В.А. Сарычев, В.Н. Татаринов, А.П. Трифонов, Д.И. Колядов

Р е ц е н з е н т ы :

проф., докт. техн. наук А.И. Логвин, проф., докт. техн. наук Е.В. Масалов

Татаринов В.Н., Татаринов С.В, Лигтхарт Л.П.

Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов (Том 1. Поляризация плоских электромагнитных волн и её преобразования). – Томск: Изд. Томского университета, 2012. – 380 с.: ил. (Сер. Поляризация радиоволн; Вып.2. Ред. серии А.И.Козлов)

ISBN 5-7511-1995-5

Книга посвящена подробному и систематическому изложению основных методов теории представления состояний поляризации плоских электромагнитных волн и её преобразований. Подробно рассмотрены методы представления и преобразования полностью поляризованных волн с использованием геометрических параметров эллипса поляризации, параметров Стокса, вектора Джонса, декартовой, круговой и обобщенной комплексных плоскостей, а также поляризационной сферы. Проанализированы понятие близости состояний поляризации и групповые свойства поляризационного отношения. Рассмотрены методы анализа частично поляризованных волн на основе использования законов интерференции и матриц когерентности (2х2), (3х3) и (4х4), методы разложения матриц когерентности с использованием полных систем матриц Паули и Дирака. Рассмотрены вопросы преобразования поляризационной структуры волн с использованием как матриц Джонса и Мюллера, так и матриц рассеяния точечных радиолокационных объектов.

Книга предназначена для радиоинженеров, аспирантов и студентов старших курсов радиотехнических специальностей, специализирующихся в области радиолокации.

С	Авторы, 2012
С	Издательство Томского
	университета, 2012

5

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

Исследованию истории развития технологии использования поляризационной структуры электромагнитных волн с целью повышения информационной способности радиоэлектронных систем в бывшем Советском Союзе, а затем в Российской Федерации, посвящен ряд фундаментальных работ, опубликованных ведущими специалистами в области радиополяриметрии. Рассматривая этот вопрос, необходимо прежде всего отметить ретроспективный обзор проф. А.И.Козлова и проф. А.И.Логвина

«Развитие радиополяриметрии в России» [1], статью проф. В.А.Сарычева

«Сложные сигналы произвольной поляризационной и временной структуры и их применение в электросвязи» [2], а также книгу «Поляризация сигналов в сложных транспортных радиоэлектронных комплексах» [3] под редакцией А.И.Козлова и В.А.Сарычева, посвященную результатам исследований,

выполненных в Академии транспорта Российской Федерации по проблеме повышения информационной способности радиоэлектронных комплексов за счет использования поляризационной структуры электромагнитных волн.

Отдельным разделом в этой книге приводятся материалы, касающиеся жизни и деятельности действительного члена Академии транспорта, профессора Владислава Александровича Потехина – общепризнанного лидера отечественной научной школы радиолокационной поляриметрии.

Работы по исследованию поляризационной структуры электромагнитных волн в СССР начались в 40-е – 50-е годы 20-го века. Начиная со второй половины 50-х годов, ведущая роль в этих исследованиях принадлежала военной академии им. А.Ф.Можайского (Ленинград). Основные результаты исследований, проведенных в стенах академии и завершенных к середине 60-х

годов, были опубликованы в монографиях «Поляризация радиолокационных сигналов» (Д.Б.Канарейкин, Н.Ф.Павлов, В.А. Потехин) [4] и «Морская поляриметрия» (Д.Б.Канарейкин, В.А.Потехин, И.Ф.Шишкин) [5]. Появление

6

этих монографий стимулировало новую волну интереса к исследованиям в данной области, а их пионерский характер был подтвержден переводом ряда глав монографии «Поляризация радиолокационных сигналов», посвященных статистической теории поляризации радиоволн, на английский язык с изданием в США под названием “Radar Polarization Effects” (New York, McMillan, 1974). К концу 60-х годов Академия им. А.Ф.Можайского становится ведущим центром бывшего Советского Союза в области радиолокационной поляриметрии. Становление этой области радиолокации в крупных научных центрах СССР, таких как Москва, Харьков, Томск, Тула, и др. связано с ведущими специалистами Академии и, прежде всего, с деятельностью В.А.Потехина.

Результаты исследований в области статистической теории поляризации и теории когерентности электромагнитного поля, определяющей поляризационно

– когерентные свойства радиосигналов, были опубликованы в 1974 г. в

монографиях «Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн»

(С.И.Поздняк, В.А Мелитицкий) [6] и «Вопросы классической теории частичной когерентности случайного электромагнитного поля» (В.А.Потехин,

В.Н.Татаринов) [7]. В дальнейшем успешное сотрудничество Академии им.

А.Ф.Можайского с Томским институтом систем управления и радиоэлектроники привело к тому, что ответственный редактор серии

«Статистическая теория связи» Б.Р.Левин счел необходимым опубликовать в

1978 г. в качестве 10-го выпуска серии монографию В.А.Потехина и В.Н.Татаринова «Теория когерентности электромагнитного поля» [8].

А.И.Козлов и А.И.Логвин [1] отмечают, что в этой монографии «…вскрыты глубинные физические основы процесса поляризации электромагнитных волн,

что может служить методологической основой для дальнейших углубленных исследований в этом направлении…», а В.А.Сарычев в своей статье [2]

указывает, что монографии «Теория когерентности электромагнитного поля» и «Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн» в совокупности дают фундаментальный подход к задачам статистической радиополяриметрии.

7

Значительный вклад в создание общей теории поляризации электромагнитных волн внесла монография В.В.Богородского,

Д.Б.Канарейкина и А.И. Козлова «Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов» [9], в которой был рассмотрен широкий круг вопросов, связанных как с общетеоретическими положениями поляризации электромагнитных волн, так и с поляризационными характеристиками широкого класса радиолокационных целей, включая искусственные и естественные объекты.

Исследования поляризационных свойств электромагнитных волн показали,

что их использование приводит также к повышению эффективности систем связи (см. монографию А.П.Родимова и В.В.Поповского «Статистическая теория поляризационно-временной обработки сигналов и помех в линиях связи» [10]), а в качестве последних достижений в применении поляризационных свойств электромагнитных волн в электросвязи следует указать на использование в этой области сверхширокополосных сигналов,

наделенных поляризационной структурой [2].

Таким образом, вплоть до распада СССР, лидирующее положение в мировой радиолокационной радиополяриметрии занимали работы и результаты советских ученых и специалистов. В рассматриваемый период на Западе существовала только одна серьезная научная школа, основанная проф. Дж.

Хойненом (J.R.Huynen), защитившем свою Ph.-D диссертацию в Технологическом университете Делфта (Нидерланды) и затем опубликовавшем её в Роттердаме под названием «Феноменологическая теория радиолокационных целей» [11]. Данную книгу можно расценивать как один из фундаментальных вкладов в основание современной радиолокационной поляриметрии. Кроме указанной (единственной!) монографии, на Западе было опубликовано значительное число статей, посвященных различным аспектам радиолокационной поляриметрии. В качестве ведущих исследователей Запада в этой области необходимо упомянуть профессоров В.Бернера (США), К.Баума

(США), Ш.Клауда (Великобритания), Е.Крогагера (Дания), З.Кжиш (Польша),

8

Е.Люнебурга (Германия), Л.Лигтхарта (Нидерланды), Е. Потье и Дж. Сайярда

(Франция).

Но, как справедливо отмечает проф. В.А.Сарычев [2], сегодняшние реалии заключаются в том, что на Западе количество крупных научных центров в

области радиополяриметрии возрастает, а в России как число таких центров,

так и количество активно работающих в них ученых и специалистов заметно сократилось. Ведущие российские поляриметрические научные школы в

настоящее время возглавляют А.И.Козлов, А.И.Логвин, В.А.Сарычев,

В.Н.Татаринов [2].

В 2005 году издательство «Радиотехника» (Москва) выпустило в свет

фундаментальную монографию А.И.Козлова, А.И.Логвина и В.А.Сарычева

«Поляризационная структура радиолокационных сигналов» [12]. Эта

монография представляет собой первый том научной серии «Поляризация

радиоволн»	(редактор серии	А.И.Козлов,	редакционная коллегия:
Н.В.Акиншин,	Б.Г.Кутуза,	А.И.Логвин,	Д.С.Лукин,	В.А.Сарычев,

В.Н.Татаринов, А.П.Трифонов, Д.В.Колядов) и является заметным событием для российских специалистов в области радиополяриметрии. Высокий научный

уровень книги адресован прежде всего специалистам высшей квалификации,

но, к сожалению, это делает ее малодоступной для начинающих исследователей, аспирантов, стажеров и молодых инженеров.

Отмечая, что опыт многолетнего международного сотрудничества в

области радиолокационной поляриметрии выявил необходимость

существования единого фундамента научных знаний и умений, а также единой

научной терминологии в этой области, нетрудно понять насущную

необходимость существования настольной книги, т.е. учебника и справочника по теории поляризации электромагнитных волн, пригодного для использования инженерами, аспирантами и студентами старших курсов радиотехнических и радиофизических специальностей. Предлагаемая вниманию читателей книга

(её первый том) была задумана ещё при жизни В.А.Потехина, но реальная действительность отодвинула время её подготовки почти на десять лет. В

9

значительной степени завершение работы над этой книгой было обусловлено

активным	сотрудничеством	научных школ профессоров В.Н.Татаринова
(Россия) и Л.П.Лигтхарта (Нидерланды).
Материалы книги были использованы В.Н.Татариновым при подготовке и
прочтении	курса лекций		«Радиолокационная	поляриметрия»	в
Технологическом университете Делфта (Нидерланды, Делфт, 1994 г.) и					в
Варшавском Технологическом университете (Польша,				Варшава, 1995 г.),	а

также В.Н.Татариновым и С.В. Татариновым при подготовке и прочтении курса лекций «Основы теории поляризации радиолокационных сигналов» в

Национальной Академии наук и технологий				Республики Вьетнам (Вьетнам,
Ханой,	1995	г.) Книга публикуется	на	русском языке	в	Российской
Федерации		и на английском языке в Королевстве Нидерланды.				Российское
издание	представляет собой второй том упомянутой выше				научной серии

«Поляризация радиоволн» Авторы надеются, что данная книга будет полезна и необходима как

специалистам, активно ведущим исследования в области радиолокационной

поляриметрии, так и молодым	ученым, которые считают необходимым
получение достаточно высокого	уровня теоретического образования для
участия в этих исследованиях.
	Проф. В.Н.Татаринов

10