Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта исз

Вид материала

Автореферат

Содержание Официальные оппоненты Ведущая организация Общая характеристика работы В направлении создания океанографического ПРВ Содержание работы Основные результаты работы Список публикаций по теме диссертации

Подобный материал:

• Литература по курсу «Радиолокационные и радионавигационные системы., 41.65kb.
• Программа курса лекций «Методы исследования макромолекул», 15.25kb.
• Разработка программы и определение методики изучения загрязнения почв при использовании, 202.22kb.
• Сбросили с борта современности, 34.53kb.
• Азимов лаки старр и пираты астероидов, 1254.52kb.
• Старые методы для решения новых систем уравнений Тип урока, 38.55kb.
• Старые методы для решения новых систем уравнений Тип урока, 37.32kb.
• Armimp-2012 Пятая Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы, 67.3kb.
• Молоко. Методы определения количества соматических клеток Название англ, 20.72kb.
• Гост 310. 4-81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии, 164.5kb.

На правах рукописи


Терехов Владимир Алексеевич


РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СТЕПЕНИ ВЗВОЛНОВАННОСТИ МОРСКОЙ

ПОВЕРХНОСТИ С БОРТА ИСЗ


Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических приборов Московского энергетического института (технического университета).


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БАСКАКОВ Александр Ильич


Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

ПЕРМЯКОВ Валерий Александрович


кандидат технических наук, ст. научный сотрудник

МОМСИК Виталий Петрович


Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН,

г. Москва (отдел экспериментальной космической

океанологии)


Защита состоится 2 июня 2011г., в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 Московского Энергетического Института (Технического университета) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, аудитория А-402.


Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).


Автореферат разослан ……. апреля 2011г.


Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. При этом актуальными являются задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения с ИСЗ. Информация о состоянии МП, скорости и направлении ветра над ней, степени взволнованности необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и морях, для океанологических научных исследований, для обеспечения навигации судовождения, для строительства и эксплуатации различных гидротехнических сооружений (буровые вышки, порты и т.п.), для экологического мониторинга и т.д. Развитие спутниковой океанологии дополнительно стимулируется вынужденным сокращением и удорожанием эксплуатации исследовательского флота России. В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени взволнованности МП радиолокационным методом являются прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по МП, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты морских волн (МВ), и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня МП. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ. Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ “Skylab”, “Geos-C”, “Seasat”, “Topex-Poseidon”, “Jasion” подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений. В известных зарубежных публикациях Д. Баррика, Ж. Брауна, Л. Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах отечественных авторов А.П. Жуковского, Н.А. Важенина, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиоcигналы с наносекундной разрешающей способностью, а основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма отраженных от МП сигналов ПРВ. Однако, проблема синтеза оптимальных алгоритмов оценки высоты МВ в океанографических ПРВ и анализа потенциальной точности измерений высоты МВ данным методом практически не освещены в отечественной и зарубежной печати, если не считать нескольких статей, содержащих общие сведения рекламного характера. В указанных современных ПРВ информация о состоянии взволнованности МП извлекается из вторичной, наземной обработки. Автором предложен и экспериментально проверен метод измерения высоты МВ в облучаемой области по форме фронта отраженного от МП (информационного) сигнала при обработке, как во временной, так и в частотной области в реальном времени на борту ИСЗ. Однако, основная задача ПРВ – оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты МВ в этих приборах является вспомогательной задачей. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей МВ с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра-скаттерометра (МРС), позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: а) высоте МВ путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП; б) крутизне МВ путем оценки ширины доплеровского спектра (ШДС) и мощности отраженного сигнала, связанной с удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) поверхности и скоростью поверхностного ветра. Возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ отраженного сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, Л.М. Миллер, А.А. Калинкевич, А.А. Гарнакерьян, А.И. Баскаков и др. Однако, до сих пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем является вертолет или самолет. С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. Важной задачей является также необходимость совмещения измерителя высоты МВ с надирным скаттерометром – измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ШДС эхо-сигнала. При этом относительная простота и технологичность конструкции МРС должны позволить разместить его на малом ИСЗ. Все это делает актуальной выбранную тему для данной диссертационной работы и позволяет сформулировать цель исследований.

Цель диссертационной работы. На основе теоретического обобщения должна быть решена актуальная научная задача, заключающаяся в исследовании и разработке методов определения степени взволнованности морской поверхности радиолокационными средствами с борта ИСЗ.

Данная цель в свою очередь ставит ряд вопросов, требующих решения.

- В направлении создания океанографического ПРВ:

1. Анализ поведения формы информационного сигнала ПРВ в широком диапазоне вариаций исходных данных, связанных с режимом облучения и состоянием МП.

2. Обоснованность метода измерения и анализ его точностных характеристик.

3. Выбор оптимальных параметров ПРВ для получения потенциальных точностных характеристик системы к высоте МВ.

- В направлении создания надирного МРС:

1. Обоснованность возможности оценки высоты морских волн по ДЧКФ с ИСЗ.

2. Разработка эффективного метода оценки высоты МВ с подавлением декоррелирующего множителя ДЧКФ.

3. Разработка структуры измерителя высоты МВ, а также возможность совмещения его с надирным радиоскаттерометром.

4. Оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации и радиовысотометрии. Экспериментальные исследования выполнены методами физического и компьютерного моделирования, а также в реальных эксплуатационных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

- В направлении создания океанографического ПРВ: 1) Анализ информационных сигналов при широкой вариации исходных данных, связанных с режимом облучения, параметрами радиовысотомера и степенью взволнованности МП. 2) Разработка метода определения высоты МВ по форме фронта информационного сигнала для работы в реальном времени. 3) Анализ зависимости потенциальных точностных характеристик ПРВ при вариации исходных данных.

- В направлении создания надирного МРС: 1) Использование метода надирного синтезирования апертуры антенны и создание интерферометрической приемной антенны в плоскости, перпендикулярной направлению полета, для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ. 2) Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки радиосигналов, отраженных от МП. 3) Оценки потенциальной точности измерения высоты МВ в зависимости от выбранных параметров МРС, режима облучения и состояния МП. 4) Анализ возможности одновременной оценки не только высоты МВ, но и дисперсии наклонов МВ, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности.


Научная новизна результатов работы. 1. Разработан и экспериментально проверен новый метод определения высоты МВ по форме фронта информационного сигнала ПРВ. 2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров ПРВ с оценкой потенциальной точности на основе анализа статистических характеристик отраженных сигналов при широкой вариации исходных данных.

3. Предложена и проверена на компьютерной модели возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ с космической орбиты с использованием метода нетрадиционного надирного синтезирования апертуры антенны и созданием интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета для исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧКФ. 4. Синтезирован алгоритм оптимальной обработки отраженных от МП радиосигналов и дана оценка потенциальной точности измерения высоты МВ по ДЧКФ.

Практическая ценность диссертационной работы обусловлена тем, что полученные результаты являются теоретической и реализационной основой для выбора параметров, расчета основных характеристик и создания перспективных наносекундных океанографических ПРВ и надирных МРС, а также РТС и устройств, служащих для обработки сигналов, отраженных от поверхностно-распределенных объектов, применяемых в различных областях хозяйствования. Разработан и проанализирован новый квазиоптимальный метод измерения высоты МВ по форме информационного сигнала и для него проведены оценки точностных характеристик, показывающие возможность достижения необходимых требований. Практическая ценность результатов подтверждается авторским свидетельством и экспериментальными результатами самолетных испытаний.

Реализация работы. Проведенные в диссертации исследования использованы: 1) в межвузовских научно-исследовательских работах, выполненных по программам: “ФИЗМАТ” с 1993 по 1996 гг. по техническим заданиям Московского физико-технического института; Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (Подпрограмма: 209. Информационно-телекоммуникационные технологии) 2003 -2004 гг. 2) в НИР и ОКР «Гребень», выполняемых в Особом Конструкторском Бюро МЭИ (ОКБ МЭИ) с 1976 по 1993гг.; 3) некоторые идеи по надирному синтезу апертуры антенны, заложенные в данной диссертационной работе были использованы при наземной обработке на полигоне ОКБ МЭИ высотомерной информации, полученной с РСА автоматических межпланетных станций «Венера-15», «Венера-16», которые осуществляли картографирование поверхности планеты «Венера».

Результаты диссертационных исследований использованы также в учебном процессе в курсах “Локационные методы исследования объектов и сред”, “Проектирование систем дистанционного радиозондирования Земли”, “Радиолокационные системы” на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ).

Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники; использовании современной теории радиовысотометрии и теории синтеза апертуры антенны; на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях, одобренных научной общественностью; на результатах компьютерного моделирования, а также на экспериментальных данных, полученных в самолетных испытаниях.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах в МЭИ (ТУ) и ОКБ МЭИ, в Институте океанологии им П.П. Ширшова РАН, в ИРЭ РАН, на НТК МЭИ (ТУ) (1978, 1980, 1982, 1985, 1988, 1990, 1992гг.); на заседании подсекции “Радиофизические исследования земных покровов” Научного Совета по комплексной проблеме “Распространение радиоволн” (ИРЭ РАН, 1982г.); на Межведомственных семинарах “Неконтактные методы измерения океанографических параметров” (Ленинградское отделение Государственного океанографического института, 1978г.; Москва, ВДНХ, 1983г.); на Всесоюзном семинаре “Технические средства для государственной системе контроля природной среды” (АН СССР, г. Обнинск, 1981г.); на Международном симпозиуме по использованию СВЧ радиоволн в дистанционном зондировании (Тулуза, Франция, 1984г.); на Всесоюзной НТК по теории и технике радиовысотометрии. г. Каменск-Уральский, 1986; на Всесоюзной НТК “Современные проблемы радиоэлектроники” (Москва, МЭИ, 1988г.); на советско-американском симпозиуме “Исследования океана из космоса” (Москва, институт океанологии им. П.П. Ширшова, АН СССР, июнь 1991г.); на IV Международной конференции “Распространение радиоволн” (Вологда, июнь 1994г.); на Международной конференции 100-летие начала использования радио (Москва, май, 1995г.); на Международных симпозиумах по космическим системам связи и дистанционному зондированию (Сиань, Китай, 1995 и 1997г.); на XVIII Всероссийской НТК по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996г., С. Петербург, РАН, Научный Совет по комплексной проблеме “Распространение радиоволн”); на Всероссийской научной конференции-семинаре по сверхширокополосным сигналам и их применению в различных областях радиотехники, г. Муром, Муромский госуниверситет, 2003г; на Международной НТК «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова», Москва, МЭИ (ТУ), 2003г; на Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, сентябрь 2004г., на ХХIII Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» С-Петербург, апрель 2005г, на II Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». ОАО «Российские космические системы», 2010.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа, в том числе 9 статей в научно-технических журналах (1-а из списка ВАК), патент и авторское свидетельство на изобретение, 10 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, приложения и содержит 226 стр. текста, 115 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается современное состояние РЛС дистанционного зондирования океана с ИСЗ, обосновывается актуальность исследуемой проблемы, формулируются цели и задачи диссертационной работы. Отмечается ее новизна и практическая ценность, даются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу статистических характеристик сигналов ПРВ, отраженных от МП при широкой вариации исходных данных, связанных с характеристиками зондирующего сигнала, режимом облучения и состоянием МП. В работе введен термин - информационный сигнал ПРВ, являющийся усредненной формой мощности сигнала во временной области или усредненной формой спектральной плотности мощности сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы в частотной области. Для углов отклонения от вертикали , не превышающих четверти от ширины ДНА , получено и исследовано аналитическое выражение для усредненной мощности сигнала P(t), характеризующее среднюю форму импульса, отраженного от МП при использовании зондирующего сигнала с ЛЧМ и коэффициентом сжатия

, (1)

где ; ; ;

– параметр, характеризующий влияние высоты МВ на форму фронта сигнала; – среднеквадратичная ордината МВ, связанная с высотой МВ 3% обеспеченности за начало отсчета по оси времени также принят момент , _- высота от ПРВ до среднего уровня спокойной МП.

Проведенный анализ формы информационного сигнала ПРВ при оптимальной обработке во временной области показал, что увеличение высоты МВ приводит к затягиванию длительности и уменьшению крутизны фронта усредненного отраженного сигнала, но вне зависимости от высоты МВ все отраженные сигналы пересекаются в одной точке, рис.1. Осуществляя слежение за положением этой точки перегиба на фронте усредненного отраженного сигнала, можно оценивать высоту полета ИСЗ, а при известной с достаточной точностью орбите исследовать топографию поверхности моря. Чувствительность формы фронта отраженного сигнала к высоте МВ возрастает с увеличением и позволяет проводить оценку степени взволнованности МП. Возможность оценивать высоту МВ одновременно с высотой полета ИСЗ расширяет функциональные возможности ПРВ. При оптимальной обработке сигнала в частотной области под усредненной формой сигнала понимается усредненный спектр сигнала биений на выходе смесителя в корреляционно-фильтровой схеме обработки .

Рис. 1. Передний участок нормированного информационного сигнала при различной степени взволнованности МП: 1); ; 2); ; 3) ; ; H=800км, , ширина ДНА0,035 рад,

При обработке в частотной области используется сжатие отраженного сигнала по спектру (в отличие от согласованной фильтрации при обработке во временной области, осуществляющей сжатие по времени).

, (2)

Сравнение (1) и (2) позволяет сделать вывод, что поведение усредненной формы спектра сигнала биений в зависимости от параметров ПРВ, режима облучения и состояния МП аналогично поведению усредненной огибающей отраженного сигнала при тех же вариациях исходных данных. Это объясняется линейной связью между частотой и временем для ЛЧМ сигнала . Таким образом, также как и во временной области, оценка высоты до среднего уровня МП и среднеквадратичных ординат МВ может производиться в частотной области соответственно по положению и форме фронта усредненного спектра сигнала биений , который несет основную информацию об измеряемых параметрах МП. В данной главе исследованы также корреляционные интервалы быстрых и межпериодных флуктуаций отраженного от МП сигнала.

Во второй главе проводится разработка метода определения высоты МВ по форме фронта информационного сигнала. Синтезирована структура оптимального дискриминатора измерителя степени взволнованности и определены его дискриминационная (ДХ) и флуктуационная (ФХ) характеристики. Синтез проведен при условии, что измеряемым параметром является высота (точнее среднеквадратичная ордината ) МВ, а остальные параметры (высота полета, отклонение оси ДНА от вертикали, отношение с/ш) известны точно. Далее было определено влияние на выходной сигнал дискриминатора рассогласования по остальным параметрам. Выходной сигнал оптимального по критерию минимума флюктуационной погрешности дискриминатора ПРВ определяется выражением производной логарифма функции правдоподобия по измеряемому параметру. Тогда оптимальный дискриминатор должен выполнять следующую операцию

, (3)

где – оценка измеряемого параметра, p(t) – истинное значение измеряемого параметра, – входная реализация – аддитивная смесь эхо-сигнала от МП и шума приемника со спектральной плотностью мощности N₀. Под знаком модуля представлены операции обработки принятой реализации, включая согласованную фильтрацию с импульсной функцией и квадратичное детектирование. Состояние МП удобно оценивать по параметру , характеризующему влияние высоты МВ на форму фронта отраженного сигнала, см. рис. 1 и выражения (1), (2). ДХ до компенсации шумового компонента равна

, (4)

где нормированная стробирующая функция оптимального дискриминатора. Оптимальный дискриминатор является ключевой частью измерительной системы ПРВ, представленной в виде блок-схемы на рис. 2. Проведено исследование ДХ и ФХ оптимального дискриминатора.

ФХ определена, как зависимость отношения спектральной плотности выходного сигнала дискриминатора при малом рассогласовании по измеряемому параметру δp на нулевой частоте спектра флуктуаций выходного сигнала к квадрату крутизны ДХ от этого же рассогласования

, (5)

Рис. 2. Блок-схема измерительной системы ПРВ на основе оптимального дискриминатора оценки степени взволнованности МП

где – информационный сигнал, ρ_c(t) – АКФ зондирующего сигнала, ρ(τ) – сечение двумерной КФ эхо-сигнала на выходе СФ плоскостью (0, τ). Потенциальная точность единичного измерения параметра μ, равна и не спадает до нуля при неограниченном увеличении отношения с/ш, это объясняется отличными от нуля флуктуациями биений сигнал-сигнал в силу случайного характера самого эхо-сигнала ПРВ. Выполнены оценки потенциальной точности измерения высоты МВ. Например, при с/ш 20 дБ и H_{3% ист} = 5,2 м погрешность единичного измерения высоты МВ составляет около 0,25 м. В работе предложена структура квазиоптимального дискриминатора, в котором алгоритм вычисления строится на основе аппроксимации усредненной формы фронта информационного сигнала полиномом третьей степени по n отсчетам (узлам аппроксимации). Оценки степени взволнованности МП и высоты получаются в результате вычисления соответствующих коэффициентов аппроксимирующего полинома, которые находятся по методу наименьших квадратов. Практически это осуществляется путем стробирования фронта отраженного сигнала гребенкой коротких строб-импульсов.

Квазиоптимальный алгоритм дискриминатора измерителя высоты МВ в частотной области заключается в вычислении безразмерного коэффициента волнения , где a₃ и a₀ – коэффициенты аппроксимирующего полинома. Сравнение точности измерений по оптимальному алгоритму с точностью квазиоптимального проведено для случая обработки эхо-сигнала в частотной области, см. рис. 3. Из расчета следует, что при отношении с/ш > 20 дБ оптимальный алгоритм обладает точностью до 2 раз выше, чем квазиоптимальный. Например, с учетом усреднения за 1с в экстраполяторе следящей системы с астатизмом 2-го порядка достигается точность измерения высоты МВ (H_3%=5,2 м ) порядка 8,3 см.

В третьей главе проведена разработка метода определения с борта ИСЗ высоты МВ по ДЧКФ сигнала, отраженного от МП. С ростом высоты облучения при фиксированной ширине ДНА возрастают размеры облучаемой на поверхности области и это вызывает декорреляцию ДЧКФ.

Рис. 3. Потенциальная точность единичного измерения степени взволнованности МП при условии: 1 – σhист = 1 м, оптимальный; 2 – σh ист =1 м, квазиоптимальный; 3 – σh ист = 2 м, оптимальный; 4 – σhист= 2м, квазиоптимальный; 5 – σhист = 4 м, оптимальный; 6 – σh ист = 4 м, квазиоптимальный

Разработан новый алгоритм пространственно-временной обработки отраженного сигнала, включающий синтез апертуры антенны многочастотного радиоинтерферометра и использование интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета ИСЗ для исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧКФ, см. рис.4.

Рис. 4. Зависимости коэффициента корреляции от при различном количестве излучателей в антенной решетке NA , различных диаметрах излучателей и расстояниях между антеннами

Алгоритм, позволяющий проводить оценку высоты МВ, хорошо совмещается с алгоритмом оценки среднеквадратичных наклонов МВ (см. главу 4), поэтому эти параметры взволнованности МП можно оценивать одновременно. Для аппаратурной реализации метода используется вычисление модуля коэффициента ДЧКФ.

, (6) где ; - эквивалентные ДН, учитывающие ДНА и ДОР МП, _Х - ширина ДН вдоль оси Х (вдоль), ДН вдоль оси OY (поперек) шире в раз; q – отношение с/ш. В главе показано, что для получения одинаковой чувствительности метода к высоте МВ во всем возможном диапазоне морского волнения необходимо использовать не две, а не менее 4-х частот и предложен способ их оптимального выбора.

Четвертая глава посвящена доработке метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с космической орбиты путем комплексирования измерителя высоты волн –радиоинтерферометра с измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ширине доплеровского спектра эхо-сигнала – надирным скаттерометром, который позволит оценивать состояние взволнованности МП в области слабого волнения, там, где другие радиолокационные средства дистанционного зондирования не обладают достаточной чувствительностью, например, ПРВ.

Корреляционная функцию отраженного сигнала определена в виде

(7)

где - сопротивление входных цепей ПРМ, - скорость носителя. Из (7) нетрудно определить среднюю мощность отраженного сигнала. Для оптимального выбора полосы приемника, необходимо оценить ширину спектра флуктуаций отраженного от МП сигнала. Осуществляя преобразование Фурье выражения (7), получим спектр флуктуаций эхо – сигналов и ширину спектра флуктуаций

(8)

Ширина нормированного спектра флуктуаций зависит от коэффициента шероховатости поверхности, равного удвоенной дисперсии наклонов МВ (), которая в свою очередь определяется скоростью поверхностного ветра. Зависимость приведена на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость ширины спектра флуктуаций от среднеквадратичного наклона МВ (da=30 см; =6 см; WН=7,5 км/с)

Из полученных результатов следует, что среднеквадратичный наклон МВ, характеризующий скорость поверхностного ветра и степень взволнованности поверхности, можно получить, анализируя ширину спектра флуктуаций отраженного сигнала и оценивая его мощность. Анализ показал, что этот способ обладает максимальной чувствительностью на слабом волнении, для повышения чувствительности и расширения диапазона, измеряемых желательно уменьшить размер антенны и увеличить длину излучаемой радиоволны, т.е. расширить ДНА. Но с другой стороны, для работы ИСЗ скаттерометра необходима достаточная энергетика, что требует увеличения размера антенны. Выбирая для заданной , определено отношение с/ш от состояния МП. Результаты расчетов показали, что при , , da=30 см;=6 см; Н1=400 км отношение с/ш не менее 10 дБ во всем возможном диапазоне волнений. Итак, из полученных результатов следует, что среднеквадратичный наклон МВ, характеризующий степень взволнованности поверхности и скорость поверхностного ветра, можно получить, анализируя ширину спектра флуктуаций отраженного сигнала. Оценка среднеквадратичного наклона МВ по ширине спектра флуктуаций обладает наибольшей чувствительностью в области слабого волнения. Дальнейшее упрощение технической реализации измерителя предложено получить, применив вместо монохроматического, импульсный когерентный квазинепрерывный режим излучения, это дает возможность обеспечить временную развязку между ПРД и ПРМ. На основе выбранного метода измерения высоты МВ (глава 3) по ДЧКФ и наклона МВ по спектру флуктуаций отраженного сигнала составлена функциональная схема МРС. Обработка сигналов для получения характеристик морского волнения поверхности сводится к обработке эхо-сигналов в разных диапазонах длин волн (0,86 см – для измерения МВ _h и 5,6 см – для измерения наклона _ МВ). Поэтому процесс обработки сигналов разбивается на два этапа разнесенных во времени.

В пятой главе получены и проанализированы потенциальные точностные характеристики измерения высоты МВ по ДЧКФ отраженного сигнала с учетом собственных шумов ПРМ, рис. 6. Окончательное выражение для потенциальной точности оценки среднеквадратических ординат МВ имеет вид:

, (9)

где - число накапливаемых независимых реализаций на двух частотах.

Рис. 6. Зависимость точности измерения среднеквадратических ординат МВ при H=700км, λ=8,6мм, da=0,7м, W=7,5км/c, Δf=5, 15, 25МГц, q=10, N=128; 3 антенны, база - Bа=0,8м, k1=4,4

В шестой главе приведены результаты самолетных испытаний и компьютерного моделирования предложенных методов измерения высоты МВ. Даны структурная схема и технические характеристики макетного образца самолетного ПРВ «Гребень», разработанного на кафедре «Радиотехнических приборов» МЭИ (ТУ) и в ОКБ МЭИ. ПРВ «Гребень» был установлен на борт летающей радиофизической лаборатории ИРЭ РАН, самолет ИЛ-18 (бортовой № 75423) и прошел полный цикл самолетных испытаний над различными акваториями страны: Черным, Каспийским, Карским, Охотским морями и над Тихим океаном. Приводятся результаты экспериментов: 1) по изучению стабильности измеряемого коэффициента волнения (КВЛ) при полетах в одном и том же районе с однородным волнением; 2) по проверке чувствительности КВЛ к смене степени взволнованности МП. Полученные результаты наглядно подтверждают уверенное определение состояния взволнованности МП по значению КВЛ, принятое в ПРВ «Гребень» с разрешающей способностью, достаточной для реализации 4…5 градаций балльности во всем возможном диапазоне морского волнения. В этой же главе приведены результаты компьютерного моделирования работы МРС на языке программирования C++. В модели использована фацетная модель МП и аппроксимациях ДНА и ДОР гауссовыми функциями. Наглядно подтверждена возможность высокоточной оценки высоты МВ по ДВЧК отраженного сигнала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации показано, что оценка высоты МВ с борта КА возможна двумя способами, либо прямым в режиме ПРВ, по форме фронта информационного сигнала, либо путем определения взаимной ДЧКФ отраженных от МП сигналов. При использовании гауссовой модели распределения ординат МВ, принятой в океанологии, однозначная связь двух указанных способов определения степени взволнованности МП физически понятна и объясняется однозначной зависимостью гауссовой плотности вероятности и ее характеристической функции от ординат МВ.

2. Чувствительность формы фронта информационного сигнала к высоте МВ возрастает с увеличением . Возможность оценивать высоту МВ одновременно с высотой полета ИСЗ расширяет функциональные возможности ПРВ. Синтезирована структура оптимального дискриминатора измерителя степени взволнованности и определены его ДХ и ФХ. Сделана оценка потенциальной точности измерения, которая сопоставлена с точностью предложенного квазиоптимального способа измерения высоты МВ.

3. Введение режима надирного синтеза апертуры антенны в радиоинтерферометр и создание интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета – кардинальный путь исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧКФ, что позволяет оценивать высоту МВ с ИСЗ.

4. Проанализирована возможность одновременной оценки не только высоты МВ, но и дисперсии их наклонов, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности. При этом надирный МРС позволяет оценивать состояние взволнованности МП в области слабого волнения, там, где другие радиолокационные средства дистанционного зондирования не обладают достаточной чувствительностью. Проведена оптимизация структуры и параметров МРС для работы в квазинепрерывном режиме с борта малого ИСЗ.

5. Проанализированы потенциальные точностные характеристики измерения высоты МВ по ДЧКФ. В диапазоне морского волнения до 6 баллов включительно достигается потенциальная точность измерения ординат МВ до 5 см.

6. Полученные при компьютерном моделировании результаты подтвердили основные теоретические закономерности, заложенные при проектировании измерителя. Разработанная модель позволяет уточнить выбор, режимов облучения и алгоритмов обработки надирного МРС, способного базироваться на малом ИСЗ.


СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баскаков А.И., Мин-Хо Ка, Терехов В.А., Оценка ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции отраженных сигналов при надирном синтезировании апертуры антенны. М.: Радиотехника, 2006, № 12, с. 37-41.

2. Способ определения характеристик волнения морской поверхности с летательного аппарата Авторское свидетельство №1344072, от 08.07.1987. Авторы: Арманд Н.А., Баскаков А.И., Калинкевич А.А., Кутузо Б.Г., Терехов В.А.

3. РЛС предупреждения столкновения самолета с посторонними объектами при маневрах на аэродроме. Бюл. №31 от 10.11. 2002г. Патент: RU 2192653 С1, 36 с. Авторы: Баскаков А.И., Терехов В.А., Гусевский В.И.

4. Баскаков А.И., Калинкевич А.А., Кутузо Б.Г., Терехов В.А. Совместные радиометрические и высотомерные измерения морского волнения в сантиметровом диапазоне. ТИИЭР, Океанографич. журнал, том OE-9, 1984, стр. 325-328 (на англ.яз).

5. Терехов В.А., Баскаков А.И., Гагарин С.П., Калинкевич А.А., Океанографические исследования с помощью радиовысотомера и поляризационного радиометра. Тезисы докладов. 5-й Всесоюзный семинар ГОИН, ВДНХ, Москва, 1983, с. 15.

6. Терехов В.А., Баскаков А.И., Некрасова О.В. Обработка данных РВ АМС «Венера-15», «Венера-16». Тезисы докладов. НТК МЭИ, 1985, с. 27.

7. Богомолов А.Ф., Баскаков А.И., Скрыпник Г.И., Терехов В.А. Предварительные результаты обработки радиовысотомерной информации АМС «Венера-15», «Венера-16». Науч. труды МЭИ, Межвуз. сборник трудов, вып.71, 1985, с. 6 –14.

8. Баскаков А.И., Терехов В.А. Временной дискриминатор прецизионного океанографического радиовысотомера. Радиотехнические тетради, №7, 1995, с. 66-70.

9. Терехов В.А., Баскаков А.И., Победоносцев К.А. Оценка корреляционных интервалов быстрых и медленных флуктуаций радиосигналов, отраженных от морской поверхности. Международный Симпозиум по спутниковым коммуникациям и дистанционному зондированию. SCRS`95 Сиань, Китай, сентябрь, 1995, с. 240-243 (на англ. яз.).

10. Терехов В.А., Баскаков А.И., Победоносцев К.А., Морозов К.Н. Влияние анизотропии морской поверхности на диаграмму обратного рассеяния и отраженный сигнал прецизионного радиовысотомера. Международный Симпозиум по спутниковым коммуникациям и дистанционному зондированию. SCRS`97 Сиань, Китай, сентябрь, 1997, с. 274-278 (на англ. яз.).

11. Терехов В.А., Баскаков А.И., Жутяева Т.С., Иванов В.А.. Прецизионный измеритель малых временных интервалов (ИМВИ) для работы в широком диапазоне изменения интенсивности отраженного сигнала. Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике // Всероссийская научная конференция-семинар по сверхширокополосным сигналам и их применению в различных областях радиотехники. г. Муром, Сборник докладов. Изд. Муромского инст. 2003, с.476-480.

12. Баскаков А.И., Мин-Хо Ка, Терехов В.А. Оценка среднеквадратичного наклона морских волн по статистическим характеристикам отраженных радиосигналов при облучении морской поверхности с борта самолета или космического аппарата. Радиотехнические тетради, № 26, 2003, с. 23-28.

13. Терехов В.А., Баскаков А.И., Жутяева Т.С. Исследование взаимной корреляции отраженных от морской поверхности СВЧ-радиосигналов, разнесенных по частоте // Сб. докл. Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные», г. Сочи, сентябрь 2004, с.197-198.

14. Терехов В.А., Баскаков А.И., Жутяева Т.С. «Разработка метода двухчастотной интерферометрии для оценки состояния поверхности акваторий с малого космического аппарата»// Сб. докл. Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, сентябрь 2004, с. 212 - 213.

15. Терехов В.А., Жутяева Т.С., Баскаков А.И. Двухчастотной радиоинтерферометр для оценки состояния поверхности акваторий с малого космического аппарата. / ХХIII Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред». Санкт-Петербург, 19-21.04. 2005 г. Тезисы докладов. с. 105 – 112.

16. Терехов В.А. Надирный двухчастотный радиоинтерферометр с синфазной антенной решеткой для оценки состояния взволнованности морской поверхности с борта малого КА. Радиотехнические тетради, №34, 2007г., с.53-60.

17. Терехов В.А. Потенциальные точностные характеристики двухчастотного радиоинтерферометра космического базирования. Радиотехнические тетради, №35, 2007, стр. 36-39.

18. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Анализ систематических погрешностей оптимального дискриминатора для измерения степени взвол-нованности морской поверхности с борта космического аппарата. Радиотехнические тетради. Изд-во МЭИ. – 2008, №37, с. 62-65.

19. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Потенциальная точность оптимального дискриминатора для измерения степени взволнованности морской поверхности с борта космического аппарата. Радиотехнические тетради. Изд-во МЭИ. – 2008. №37, с. 65 - 69.

20. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Систематические погрешности оптимального дискриминатора для измерения степени взволнованности морской поверхности с борта космического аппарата. Труды Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения. М. Физматлит, 2009, с. 316-325

21. Терехов В.А., Баскаков А.И. Двухчастотная интерферометрия над морем с борта малого космического аппарата. Ракетно-космическое приборостроение и информационные технологии 2009-2010гг. Труды II Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». ОАО «Российские космические системы», М, «Радиотехника», 2010, с.57-70.