ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

КАРТАШОВ ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.396.96:534.88:551.51

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ

СИСТЕМ РАДІОАКУСТИЧНОГО І АКУСТИЧНОГО

ЗОНДУВАННЯ АТМОСФЕРИ

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Прошкін Євген Григорович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри радіоелектронних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Піскорж Володимир Вікторович, ВАТ “АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань”

(м. Харків), головний конструктор за напрямком;

доктор фізико-математичних наук, професор

Ківва Фелікс Васильович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (м. Харків),

завідувач відділу поширення радіохвиль;

доктор технічних наук, професор

Баранов Порфирій Єфимович, Одеський національний політехнічний університет (м. Одеса),

завідувач кафедри радіотехнічних систем.

Провідна установа: Севастопольський національний технічний університет (кафедра радіотехніки) Міністерства освіти і науки України,

м. Севастополь.

Захист відбудеться “ 25 ” грудня 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 21 ” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.І. Чурюмов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Життя і діяльність людини проходять в атмосфері Землі і залежать значною мірою від її стану. Атмосфера – надзвичайно складний і динамічний об’єкт, який потребує для дослідження відповідних теоретичних та експериментальних методів. Традиційні контактні методи вимірювань не здатні задовольнити вимоги, що зростають, до обсягу метеорологічної інформації. Основними їх недоліками є дискретність одержуваних результатів у просторі або в часі та висока вартість висотних вимірювань, для виконання яких використовуються спеціальні засоби доставки датчика в досліджувану область: метеорологічні щогли, аеростати, літаки, вертольоти, ракети і т. ін.

Тому останнім часом інтенсивно розвиваються методи дистанційного зондування атмосфери електромагнітними і звуковими хвилями, які дозволяють провадити практично неперервні вимірювання в усьому доступному для даного методу діапазоні висот та забезпечують малі витрати на проведення повторних вимірювань. При розміщенні апаратури на поверхні Землі, авіаційних та космічних носіях забезпечується унікальна можливість оперативного збирання даних в глобальному масштабі. Особливо актуальним розвиток даного напрямку стає у зв’язку із зростаючими масштабами антропогенного впливу на навколишнє середовище.

Значні можливості по визначенню параметрів атмосфери надають методи радіоакустичного та акустичного зондування (РАЗ, АЗ), що мають ряд істотних переваг перед іншими дистанційними методами. Більш високий ступінь взаємодії звукових хвиль із атмосферою, ніж у електромагнітних хвиль більшості областей спектра, забезпечує поряд з інформативністю відносно невисоку вартість і простоту відповідних пристроїв зондування.

Значний внесок у розвиток методів зондування атмосфери з використанням звукових хвиль внесли такі вчені: О.М. Обухов, В.І. Татарський, Є.Г. Прошкін, М.О. Каллістратова, О.І. Кон, Л.Г. Макаллістер, К.Г. Літтл, О.С. Гурвич, М.П. Красненко, G. Bonino, С.І. Бабкін, Ю.М. Ульянов, Г.І. Сідоров, І.В. Коритцев, О.Г. Налбандян, І.В. Петенко, S.P. Singal, J.Keder, S.S. Bradley, G. Peters та ін.

Сучасний стан розвитку станцій акустичного і радіоакустичного зондування (содарів та расдарів) характеризується освоєнням їх промислового виробництва в ряді країн і широким використанням при вирішенні багатьох важливих задач наукового і прикладного змісту, серед яких визначаються наступні.

1. Вивчення фізичних процесів в атмосфері, зокрема, для удосконалення методів прогнозу погоди й теорії клімату.

2. Моніторинг атмосфери у великих містах і промислових районах для прогнозування надзвичайних ситуацій і небезпечних з точки зору забруднення повітря метеорологічних умов.

3. Дослідження різних аспектів поширення і розсіяння радіо, світлових та звукових хвиль в атмосфері.

4. Метеозабезпечення зльоту і посадки літальних апаратів.

Актуальність застосування і розвитку расдарів і содарів в Україні обумовлена наявністю районів з високою щільністю населення, компактним розміщенням підприємств промислового виробництва, в тому числі екологічно шкідливих – металургійних, енергетичних, хімічних, значним розвитком повітряного транспорту та ядерної енергетики.

Проте сучасний рівень техніки зондування не реалізує наявні багаті потенційні можливості зазначених методів по вимірюванню параметрів атмосфери, що суттєво обмежує ефективність їх застосування при вирішенні насущних задач. З іншого боку, потреби практики вимагають поліпшення основних показників якості існуючих станцій: точності вимірювань характеристик середовища, далекості дії, просторової та часової роздільної здатності, завадозахищеності, зменшення залежності від змінюваних зовнішніх умов, а також розширення набору вимірюваних метеопараметрів.

Недосконалість станцій, що знаходяться в експлуатації, обумовлена насамперед недостатнім рівнем розвитку теорії і методичного забезпечення діяльності інженерів-розробників. При побудові станцій РАЗ і АЗ зараз використовуються методи, методики й алгоритми, запозичені з радіолокації, які розроблені для точкових або малорозмірних зосереджених цілей, підходи, основані на інженерній інтуїції та експерименті, а основним методом проектування і дослідження їх залишається макетно-апаратурне моделювання.

Характерні особливості систем радіоакустичного та акустичного зондування, у порівнянні з іншими різноманітними локаційними системами, обумовлені насамперед унікальністю об’єктів, на яких спостерігається розсіювання хвиль. Саме через особливості об’єктів існуючі методи синтезу й аналізу радіосистем і пристроїв досі не затребувані достатньою мірою при проектуванні й оптимізації даних станцій, оскільки відсутній адекватний та конструктивний математичний опис існуючих локаційних каналів. Теорія поширення хвиль у турбулентній атмосфері, яка використовується для одержання відомостей про розсіяні сигнали, не дає розробникам необхідної апріорної інформації для побудови оптимальних алгоритмів функціонування станцій, як і результати, одержані експериментально, а отримані на основі зазначених підходів і методів технічні рішення, втілювані в апаратурі, виявляються далекими від оптимальних, що, зрештою, негативно позначається на якості техніки, що розробляється і виготовляється.

Потреби практики, стан теорії і техніки систем вимагають створення для даного напрямку спеціалізованого науково-методичного апарату, який дозволив би дослідити властивості різних видів зондувальних акустичних та електромагнітних сигналів, здійснювати на основі результатів досліджень аргументований їх вибір при проектуванні, оптимізацію пристроїв оброблення прийманих коливань, адаптацію до поточних змін зовнішніх умов і т. ін.

Наукова проблема, вирішенню якої присвячена дисертація, полягає у створенні підходів, моделей та методів опису й дослідження взаємодії зондувальних сигналів радіоакустичних та акустичних систем із середовищем і розв’язанні на їх основі теоретичних та практичних задач з оптимізації, адаптації й удосконаленню систем даного класу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках пріоритетних напрямків науково-технічної діяльності Міністерства освіти і науки України: “Перспективні інформаційні технології, пристрої комплексної автоматизації, системи зв'язку”, “Охорона навколишнього середовища”, у рамках програми “Про створення регіональної інформаційно-аналітичної системи з надзвичайних ситуацій у Харківській області”, що є частиною робіт зі створення Урядової інформаційно-аналітичної системи з надзвичайних ситуацій (постанова Кабінету Міністрів №250 від 7.04.95 р.) і пов'язана з наступними НДР Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ): “Розвиток теорії і розробка нових принципів побудови перспективних інформаційних і енергетичних радіоелектронних систем” (№ державної реєстрації (ДР) 0100U001345, 2000 – 2002 р.), “Розробка засобів дистанційного зондування пограничного шару атмосфери для виміру і контролю параметрів повітряного середовища на базі акустичного методу і методології їхнього використання для прогнозування надзвичайних ситуацій” (№ДР 0197U012132, 1997 – 1999 р.), “Динаміка” (№345, 1994 – 96 р.), “Ризоліт” (№89-84, 1989 – 94 р.), ОКР “Хризантема” (№93-4, 1993 р.).

Мета роботи – створення основ теорії зондувальних акустичних та електромагнітних сигналів, підходів до оптимізації пристроїв оброблення прийманих коливань у расдарах, рекомендацій щодо їх побудови, вибору видів сигналів при проектуванні, а також розроблення методів захисту систем від змін зовнішніх умов і алгоритмів вимірювання метеопараметрів.

Задачі дослідження

1. Розроблення й обґрунтування адекватних моделей інформаційних локаційних каналів систем акустичного і радіоакустичного зондування.

2. Створення теоретичних методів аналізу властивостей зондувальних акустичних і електромагнітних сигналів, які використовуються у радіоакустичних системах вимірювання параметрів атмосфери. Вивчення можливостей розроблених методів і коливань, що використовуються на практиці.

3. Розроблення методів синтезу структур сигналів, використовуваних у радіоакустичних системах, і оптимізації параметрів сигналів радіоакустичних і акустичних систем.

4. Оптимізація параметрів випромінюваних у расдарах і содарах імпульсних послідовностей, що мають малу шпаруватість. Синтез сигналів для інваріантного захисту систем РАЗ від зміни метеоумов по трасі зондування.

5. Використовуючи створені моделі локаційних каналів, дослідити їх статистичні властивості, властивості прийманих сигналів і на основі цього розробити алгоритми вимірювання параметрів атмосфери.

6. Підвищити завадозахищеність акустичних локаторів розробленням методів і алгоритмів адаптації до змінюваної завадової обстановки, основаних на оптимізації властивостей випромінюваних сигналів.

7. Вивчити вплив нелінійних явищ, що спостерігаються в інтенсивних звукових хвилях у повітрі, на характеристики зондувальних акустичних коливань.

8. Отримати основне рівняння радіоакустичного зондування, що дозволяє робити енергетичні розрахунки для різних форм простих і складних випромінюваних коливань.

9. Розробити підходи до оптимізації пристроїв оброблення прийнятих сигналів у расдарах, синтезувати алгоритми оброблення і сформулювати рекомендації щодо їх використання на практиці.

10. Розробити рекомендації щодо вибору видів і параметрів зондувальних сигналів при проектуванні радіоакустичних систем вимірювання параметрів атмосфери.

Об’єкт дослідження – процес зондування атмосфери акустичними та електромагнітними хвилями.

Предмет дослідження – методи вивчення властивостей, приймання та оброблення радіосигналів, розсіяних на звуковій посилці, та акустичних сигналів, розсіяних природними неоднорідностями середовища.

Методи дослідження. У роботі використані системотехнічний та аксіоматичний методологічні підходи до побудови теорії, методи просторово-часової теорії радіосистем, теорії поширення хвиль у турбулентній атмосфері, методи акустики, числові методи аналізу, комп’ютерне моделювання і натурний експеримент.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше сформульовано задачу створення спеціалізованого науково-методичного апарата для дослідження систем радіоакустичного й акустичного зондування атмосфери і його найважливішої складової частини – теорії зондувальних сигналів.

2. Виявлено закономірність у формуванні розсіяного на звуці радіосигналу, що являє собою взаємну кореляційну функцію по подовжній просторовій координаті взаємодіючих акустичного й електромагнітного коливань.

3. Введено двовимірну просторово-частотну взаємокореляційну функцію звукового і радіосигналів, що містить інформацію про особливості їхньої взаємодії в атмосфері, яку можна наочно представляти у вигляді поверхні – тіла розсіяння. Теоретично визначено основні характеристики запропонованої функції, що відбивають найбільш загальні властивості зондувальних сигналів, і дано їх фізичну інтерпретацію.

4. Розроблено новий метод аналізу зондувальних сигналів з використанням функцій і тіл розсіяння, що дозволяє досить просто аналітичним шляхом або чисельно знаходити основні характеристики систем зондування, у яких вони використовуються. Отримано та досліджено тіла розсіяння комбінацій зондувальних коливань, що найчастіше використовуються.

5. Введено різні форми подання функцій розсіяння, еквівалентні параметри, що визначають властивості тіл розсіяння. Показано можливість використання цих функцій для аналізу процесів розсіяння не тільки на об'єктах, використовуваних при зондуванні атмосфери, але й на зосереджених радіолокаційних цілях.

6. Сформульовано характерне для простих акустичних сигналів радіоакустичних систем протиріччя між далекістю дії, з одного боку, і діапазоном далекостей і просторовою роздільною здатністю, з іншого. Показано, що властиві їм обмеження можуть бути усунені використанням складних акустичних коливань, що характеризуються сукупністю параметрів, які можна варіювати при оптимізації показників якості системи. Відзначено основні особливості використання складних акустичних сигналів у системах радіоакустичного зондування.

7. Вперше показано, що при визначених формах і параметрах зондувальних коливань на акустичному хвильовому пакеті (АХП) реалізується узгоджений з випромінюваним радіосигналом оптимальний узгоджений фільтр. Для складних сигналів у випадку узгодженої фільтрації спостерігається ефект стиску радіоімпульсів при розсіюванні на звуці.

8. Вперше сформульовано задачу і розроблено методи синтезу структур і оптимізації параметрів зондувальних сигналів радіоакустичних і акустичних систем. Проведено оптимізацію квазінеперервних зондувальних сигналів для расдарів і содарів. Отримано співвідношення для аналізу і чисельні оцінки, що характеризують енергетичні переваги використання запропонованих сигналів. Синтезовано векторний радіоакустичний сигнал з “платоподібним” тілом розсіяння.

9. Новим є подання процесу взаємодії в атмосфері електромагнітної й акустичної хвиль за допомогою апарата функціонального аналізу та теорії сигналів.

10. Розвиток одержали уявлення про розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері сукупністю протяжних об'єктів з випадковими параметрами – лінійними решітками, що заповнюють розсіювальний об'єм.

11. Вперше запропоновано розглядати розсіювальні об'єкти систем акустичного і радіоакустичного зондування як об'ємно-розподілені локаційні цілі. На підставі результатів аналізу одержаних моделей, що описують статистичні властивості каналів і прийманих сигналів, запропоновані нові алгоритми вимірювання параметрів турбулентності середовища, температури і швидкості вітру.

12. Запропоновано нові методи адаптації акустичних локаторів до зава- дової обстановки.

13. Вперше отримано основне рівняння радіоакустичного зондування, що не має обмежень на форми випромінюваних коливань, на відміну від відомих співвідношень, які чинні лише для простих сигналів з прямокутними або гауссовими обвідними.

14. Удосконалено методику оцінювання нелінійних енергетичних втрат в інтенсивних звукових хвилях.

15. Вперше розроблено підхід і теоретичні основи оптимізації пристроїв приймання й оброблення сигналів систем РАЗ. Запропоновано нові алгоритми оброблення – виявлення й оцінювання параметрів прийнятих коливань.

Практичне значення отриманих результатів

Розроблений науково-методичний апарат для дослідження зондувальних акустичних і електромагнітних сигналів може бути однаково успішно використаний як у наукових дослідженнях, так і в інженерній практиці. Причому розробникам і експлуатаційникам станцій не буде потрібно значної додаткової підготовки, оскільки радіоінженери вже володіють подібними методами дослідження сигналів з використанням функцій невизначеності.

Створені фізично наочні моделі і методи дослідження дозволили упорядкувати відомі раніше з теорії і практики результати, інколи суперечливі, накопичені за весь період розвитку методу РАЗ, дозволили дати їм зрозуміле фізичне трактування з позицій спектральних зображень. Завдяки наочності і зручності аналізу на “частотній мові” стали очевидними і зрозумілими справжні причини специфічних похибок оцінювання температури системами РАЗ, особливості взаємодії різних видів сигналів, у тому числі складних, з'явилася можливість робити кількісні інженерні оцінки і розрахунки.

Властивості двовимірної взаємокореляційної функції, що доведені в роботі, визначають найбільш загальні властивості зондувальних сигналів. Вони формують у такий спосіб необхідні уявлення і правильно орієнтують дослідника при вирішенні конкретних наукових задач, пов'язаних з вивченням сигналів, дозволяючи грамотно формулювати задачу й уникнути, завдяки цьому, непродуктивних витрат часу, сил і матеріальних ресурсів. З принципу сталості об'єму тіла розсіяння випливає, наприклад, енергетична еквівалентність будь-яких пар сигналів і безперспективність пошуку найкращих за цим критерієм коливань.

З розробленням теоретичних методів вивчення зондувальних сигналів істотно підвищилася ефективність наукових досліджень у цьому напрямку. Відкриваються нові обрії і нове велике поле для плідних досліджень: потрібно, наприклад, вивчити значну кількість тіл розсіяння (при , де - кількість можливих видів скалярних сигналів, ця кількість становитиме 1560). Для ілюстрації масштабності задач зазначимо, що майбутній обсяг досліджень істотно перевищує аналогічний обсяг, виконаний раніше по вивченню тіл невизначеності скалярних радіолокаційних сигналів (кількість тіл у радіолокації становить ). Методи аналізу і синтезу, створені в роботі, являють собою ефективні “інструменти” для оброблення такого поля.

Отримані конкретні результати вивчення сигналів, що найчастіше використовуються на практиці, та перспективних, у тому числі з різними видами обвідних, складних – ЛЧМ, ФКМ імпульсів, а також результати синтезу й оптимізації коливань лягли в основу розроблених рекомендацій з вибору видів і параметрів зондувальних сигналів при проектуванні систем РАЗ. Створено передумови для аргументованого й акцентованого вибору сигналів і побудови систем зондування з необхідними характеристиками.

Виявлено ряд нових, раніше не відомих явищ і ефектів, що спостерігаються при взаємодії хвиль в атмосфері, які слід враховувати при проектуванні станцій. Наприклад, завбачене явище – реалізація на акустичному хвильовому пакеті узгодженого з випромінюваним радіосигналом оптимального узгодженого фільтра – дозволить здійснювати виявлення на великих висотах слабких акустичних збурювань на фоні випадкових природних неоднорідностей середовища. Для складних сигналів у цьому випадку – випадку узгодженої фільтрації – спостерігається ефект стиску радіоімпульсів на звуці. При використанні ЛЧМ акустичного хвильового пакета слід враховувати додатковий зсув за часом розсіяного сигналу, що виявляється як систематична похибка вимірювання часу запізнювання або далекості до об'єкта.

Розроблені моделі, адекватно описуючи перетворення сигналів при розсіюванні, дозволяють записувати рівняння спостереження і здійснювати з їх використанням статистичну оптимізацію, синтез і аналіз пристроїв оброблення, виявлення й оцінювання різних інформативних параметрів прийманих коливань. Використання запропонованих методів приймання і здобування інформації з сигналів, що надходять, супроводжується усуненням систематичних похибок вимірювання метеопараметрів, характерних для систем РАЗ. Відповідно до цього при випромінюванні простих акустичних імпульсів підстроювання частот під умову Брегга з метою усунення зазначеної похибки не потрібне.

З іншого боку, розроблені математичні моделі каналів дозволяють створювати на їхній основі відповідні фізичні моделі – імітатори каналів чи імітатори розсіяних сигналів, вкрай необхідні при випробуваннях наявної або проектованої апаратури. З використанням імітаторів може визначатися працездатність апаратури, реальні значення показників якості і здійснюватися метрологічна атестація станцій. Аналіз систем та їх окремих елементів на етапі проектування відтепер може провадитися і теоретично – аналітичним шляхом або чисельно – методом статистичного моделювання з використанням комп'ютера.

Таким чином, створення моделей і методів дослідження та синтезу зондувальних сигналів, підходів і методів оптимізації алгоритмів оброблення прийнятих коливань дозволяє перейти при проектуванні станцій від їх макетно-апаратурного моделювання до математичного і, відповідно, до машинних і аналітичних оптимізаційних задач.

Конкретне практичне значення мають розроблені методи адаптації содарів до завадової обстановки, алгоритми вимірювання параметрів атмосфери, запропоновані види зондувальних коливань, формула далекості радіоакустичного зондування, методика вибору потужності звукового випромінювання.

І, нарешті, введена спеціальна термінологія – векторний радіоакустичний сигнал, просторово-частотна взаємокореляційна функція, тіло розсіяння та ін. підвищить точність, стислість та інформативність висловлювань і повідомлень, а отже, ефективність наукового спілкування й самих досліджень.

Запропоновані методи, сигнали й алгоритми інтерпретації даних зондування реалізовані в акустичному локаторі, призначеному для виявлення і прогнозування надзвичайних станів атмосфери в районах екологічно небезпечних об'єктів, включаючи АЕС, а також у зонах аеропортів.

Розроблені методи, моделі, алгоритми, методики і програмні продукти впроваджені у дослідному конструкторсько-технологічному бюро (ДКТБ ХМ, м. Харків), на науково-виробничих підприємствах “Градієнт” (м. Москва), “Ізотерм” (м. Харків), в ХНУРЕ при виконанні держбюджетних НДР №ДР 0197U012132, №ДР 0100U001345, у навчальному процесі кафедри “Радіоелектронні системи” ХНУРЕ, зокрема у курсі “Акустичні і радіоакустичні системи зондування атмосфери”, який ґрунтується на основі матеріалів дисертації, про що свідчать Акти впровадження.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно отримав основні результати, викладені у дисертації. В монографії [1] Карташовим В.М. написано підрозділ 2.2.6 “Оцінка параметрів турбулентності атмосфери”. У статтях, опублікованих із співавторами, Карташовим В.М. виконані постановка задач, розроблення методів досліджень, одержані основні теоретичні співвідношення, висновки. Ідеї способів [34, 35] та їх теоретичне обґрунтування належать авторові.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та висновки дисертації були подані й обговорені на 8 Міжнародних конференціях і симпозіумах, з яких 3 – Міжнародні симпозіуми з дистанційного акустичного зондування атмосфери й океану.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 47 наукових працях, з яких 1 монографія, 31 стаття в закордонних і вітчизняних виданнях, включених до списку ВАК України, 3 патенти на винаходи, а також 10 доповідей, опублікованих у Працях Міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація містить 381 сторінку, 41 рисунок, 3 додатки на 13 сторінках, список використаних джерел з 358 найменувань на 35 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дисертації обґрунтовано актуальність вирішуваних задач, сформульовано наукову проблему, мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи. Наведені відомості про особистий внесок автора, апробації, публікації, впровадження, зв’язки з науковими програмами.

Перший розділ містить огляд літературних джерел за темою дисертації. Розглянуто суть методів АЗ і РАЗ, відомі методики визначення метеопараметрів, існуючі системи зондування, стан науково-методичного апарату для їх аналізу і синтезу. Вибрано та обґрунтовано напрямок досліджень.

Розвиткові методів і систем дистанційного зондування атмосфери з використанням звукових хвиль за останні десятиріччя приділяється значна увага. Розвинуто теорію методів, яка розглядає питання поширення та розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері, насамперед у працях радянських вчених О.М. Обухова, В.І. Татарського, О.І. Кона, М.О. Каллістратової та ін. Розроблено методики визначення основних метеовеличин: температури, швидкості вітру, вологості, параметрів турбулентності, визначено основи і принципи побудови содарів і доплерівських расдарів. Значний внесок, особливо в теорію радіоакустичного зондування, внесли праці вчених ХНУРЕ, виконані під керівництвом проф. Є.Г Прошкіна.

Накопичено досить велику кількість результатів апаратурного характеру, що стосуються особливостей роботи станцій у різних частотних діапазонах та погодних умовах, можливостей застосування тих чи інших радіопристроїв, а також отримано численні геофізичні дані по розподілу метеопараметрів у різних місцях, областях, над різними континентами, океаном і т. ін. Станції радіоакустичного та акустичного зондування активно залучаються до вирішення різноманітних наукових і прикладних задач, що потребують відомостей про атмосферні процеси.

Расдари будуються за бістатичною схемою з використанням імпульсного (не модульованого або частотно-модульованого) акустичного сигналу і неперервного монохроматичного радіосигналу, або за “профілерною” схемою, в якій передавальна і приймальна радіоантени об’єднані в одну – приймально-передавальну антену, а випромінюваний електромагнітний сигнал є імпульсним. Найчастіше визначається температура середовища за результатами доплерівських вимірювань.

Акустичні локатори – содари реалізують, як правило, методику зондування в трьох різних напрямках за моностатичною чи бістатичною схемами. Вони дозволяють оцінювати швидкість і напрямок вітру за доплерівською частотою і параметри турбулентності (за амплітудою розсіяного сигналу). У содарах застосовують прості зондувальні сигнали й апертурні антени, а останнім часом – також фазовані антенні решітки.

Однак стан техніки зондування, що розробляється та виготовляється, не задовольняє постійно зростаючим потребам практики, які вимагають поліпшення основних показників якості систем. Перед розробниками гостро стоять проблеми оптимізації пристроїв оброблення прийманих коливань, вибору сигналів при проектуванні расдарів і содарів та ін.

Для виконання якісних вимірювань прості акустичні імпульси, що широко використовуються з початку розвитку методу РАЗ, потребують підстроювання частот сигналів під умову Брегга. Це суттєво зменшує оперативність зондування та ускладнює систему. Використання складних звукових сигналів дозволяє підвищити оперативність зондування, але призводить до появи значних за величиною і невипадкових за характером похибок вимірювання метеопараметрів. Значне збільшення потужності електромагнітного випромінювання (до одиниць МВт в імпульсі) не зменшує суттєво величину похибок.

Радіосигнали, що використовуються зараз, також неповною мірою відповідають поставленим вимогам. Неперервні сигнали потребують застосування двох антен, спеціальних заходів для їх “розв’язки” і навіть у цьому випадку не дозволяють реалізувати значну частину енергетичного потенціалу радіоканалу. Випромінювання в профілерній схемі, де застосовується одна радіоантена, достатньо довгих імпульсів призводить до того, що мінімальна висота зондування становить 1-2 км при максимальній – 2-4 км.

Для содарів особливо гостро стоїть проблема підвищення завадозахищеності. Застосовувані протягом багатьох років інваріантні методи захисту шляхом розроблення спеціальних пристроїв звукопоглинання, використання різних укриттів, розміщення антен у ями і т. ін. значною мірою вичерпали себе. Тепер сподівання розробників пов’язані з методами адаптації систем до завадової обстановки, зокрема за допомогою антенних решіток, з використанням нових видів сигналів і методів їх оброблення.

Вирішення задач, що стоять перед розробниками, потребує розвитку теорії систем РАЗ і АЗ. Зазначимо, що теоретичним і практичним питанням проектування апаратури в даній області приділяється недостатня увага – їм присвячено менше 10 % всіх публікацій (для порівняння: геофізичним питанням – понад 60 %). Обсяг і зміст цих публікацій свідчать про переважне “споживче” відношення до апаратури.

Основним фактором, що визначає недосконалість систем, є недостатнє теоретичне і методичне забезпечення діяльності інженерів, які займаються розробленням, дослідженням та експлуатацією апаратури. Наявну інформаційну прогалину компенсують використанням відповідних відомостей, методик та алгоритмів з класичної радіолокації, що розроблені для точкових розсіювальних об’єктів, або знаходять технічні рішення, спираючись на інженерну інтуїцію чи натурний експеримент. Застосовувані методи і рішення недостатньо враховують специфічні особливості даних систем, обумовлені унікальністю використовуваних локаційних об’єктів – акустичного хвильового пакету і розподілених “повсюдно” в середовищі природних турбулентних неоднорідностей.

Дотепер розробники і дослідники систем зондування одержували відомості про розсіяні сигнали із праць теоретиків, які розв’язували відповідні задачі методами теорії розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері. Однак, як показав тривалий період розвитку методів РАЗ та АЗ, такий підхід виявився малоефективним і не досить продуктивним, оскільки не дає розробникам достатньої апріорної інформації про розсіяні сигнали. А отже, не дозволяє вивчати властивості різних видів сигналів та будувати оптимальні алгоритми функціонування станцій. Класична теорія радіолокаційних сигналів, що будується у припущенні точкового характеру цілі й основана на використанні поняття функції невизначеності, також не може бути успішно використана в цих умовах. У зв’язку з викладеним виникла і назріла нагальна об’єктивна необхідність створення нового апарату досліджень, який дозволяв би розв’язувати зазначені задачі.

Вирішення поставленої наукової проблеми спрямовано на зняття, усунення протиріч між потребами практики і техніки зондування, з одного боку, і можливостями теорії – з іншого.

У другому розділі розроблено моделі розсіяння хвиль на природних та штучно створених за допомогою звуку неоднорідностях атмосфери.

При розв’язанні характерних для теорії систем задач доцільно мати більш простий (ніж той, що застосовувався раніше) і фізично наочний модельний підхід, оснований на поняттях і процедурах, що використовуються в теорії систем і теорії сигналів. Зондований об’єкт з цих позицій розглядається як елемент інформаційного локаційного каналу і подається деяким детермінованим або стохастичним оператором розсіяння.

При побудові теорії зондувальних сигналів застосовується системотехнічний методологічний підхід, що полягає, як відомо, у побудові адекватних моделей об’єктів, які вивчаються, і розробленні на їх основі методів дослідження, а також аксіоматичний методологічний підхід, оснований на виявленій у роботі закономірності, що виступає в цьому випадку як аксіома.

Закономірність виявлена у формуванні розсіяного на звуці радіосигналу, який являє собою взаємну кореляційну функцію по подовжній просторовій координаті взаємодіючих акустичного та електромагнітного коливань. При цьому електромагнітний сигнал, що входить до кореляційного інтеграла, стискається в два рази вздовж координати далекості і, відповідно, розтягується в таку саму кількість разів по осі просторових частот. Закономірність випливає з відомих співвідношень, одержаних теоретично, і підтверджується численними результатами експериментів. На цій закономірності основана кореляційна модель розсіяння.

Згідно із структурною моделлю, що описує розсіяння звукових хвиль на природних турбулентних неоднорідностях середовища, об’єм атмосфери подається сукупністю протяжних вздовж вектора розсіяння елементарних вторинних випромінювачів – решіток, що мають випадкові параметри. Отримано вирази для основних характеристик локальних областей, що забезпечують у визначених просторових межах інтегрування, накопичення розсіяного сигналу. Радіус поперечної кореляції решіток – порядку довжини хвилі, кількість їх у розсіювальному об’ємі досить велике – сотні й тисячі, час життя – одиниці секунд. Сигнали, одержані від окремих решіток, складаються за інтенсивністю. Структурну модель можна розглядати як розвиток відомої моделі “блискучих точок” на “гладкі, прозорі” середовища.

Третій розділ присвячений розробленню методів аналізу зондувальних сигналів, вивченню найбільш поширених на практиці і перспективних видів коливань.

На основі кореляційної моделі введено двовимірну просторово-частотну взаємокореляційну функцію зондувальних електромагнітного , стиснутого в два рази, та акустичного сигналів

, (1)

, (2)

де - просторова розстройка (зміщення) сигналів; - параметр Брегга, що визначає розстройку сигналів в області просторових частот; - хвильові числа відповідно радіо та акустичного коливань; - комплексні обвідні коливань та їх просторові спектри. Друге рівняння, де функція записана через просторові спектри, одержується з першого.

Співвідношення (1), (2) визначають результат трибічної взаємодії акустичного, електромагнітного сигналів та атмосфери. Оскільки вплив середовища тут представлений лише одним параметром , то це спрощує модель і робить її зручною для проведення “системних, інженерних” досліджень. Функція описує розсіяні сигнали у просторі і одержала назву функції розсіяння. Її особливість полягає в тому, що розсіяні та зондувальні коливання, які знаходяться у виразі (1), містять як аргумент просторову координату , а не час . Модуль функції являє собою обвідну, а аргумент – фазову структуру розсіяного коливання. зручно зображувати у прямокутній системі координат у вигляді поверхні; об’єм, що міститься між поверхнею функції та площиною , названий тілом розсіяння (рис. 1).

Можливі також інші види подання функції розсіяння: , , , де - частотні змінні; - просторові. Кожний з них одержується перетворенням Фур’є – прямого або оберненого – попередньої форми. При розв’язанні конкретних задач аналізу й синтезу сигналів слід скористатися найзручнішими формами подання та такими, що відповідають фізичному змістові задачі.

Дедуктивним шляхом, характерним для аксіоматичного підходу, доведені основоположні математичні властивості введеної функції.

1. Повний об’єм тіла розсіяння для будь-якої пари (комбінації) з акустичного та електромагнітного сигналів однаковий. Отже, підбиранням видів і параметрів зондувальних сигналів не можна змінити об’єм сигнального тіла розсіяння, можна лише дещо перерозподілити цей об’єм. З цього твердження виходить також, що усякий радіосигнал розсіюється на довільному акустичному коливанні, причому енергетична ефективність такої взаємодії (повна енергія розсіяння) для будь-якої пари сигналів однакова. Відмінності полягають лише в тонкій структурі тіл.

2. Двовимірна сигнальна функція розсіяння не має властивості центральної симетрії.

3. Значення функції знаходяться в діапазоні [0,1]. Причому функція в точці не обов’язково дорівнює одиниці, а значення її в нулі не обов’язково максимальне.

4. Функція не інваріантна відносно двовимірного перетворення Фур’є.

Тіло розсіяння містить в собі і дозволяє визначати основні характеристики системи зондування, у якій використовуються обрані сигнали. Воно може бути охарактеризоване за допомогою перерізів вертикальними площинами , . Форма перерізу тіла площиною (рис. 2, а) збігається з обвідною розсіяного сигналу, коли просторові частоти електромагнітного та акустичного сигналів розстроєні на задану величину . Аналіз цих перерізів дозволяє встановити вплив розстройки на ступінь зменшення амплітуди, на характер зміни обвідної розсіяного сигналу і, відповідно, на основні характеристики системи зондування, які залежать від амплітуди.

Переріз тіла розсіяння площиною (рис. 2, б) характеризує область хвильових чисел (діапазон розстроювань), за яких відбувається розсіяння. Воно показує, як змінюється амплітуда розсіяного сигналу залежно від значення параметра . З (2) при одержимо – кореляційну функцію спектрів сигналів по просторовій частоті.

Рельєф тіла розсіяння можна також характеризувати за допомогою ліній, що одержуються при перерізі тіла розсіяння горизонтальними площинами на певному рівні . Ці лінії названі діаграмами розсіяння. Наприклад, доцільно використати перерізи на рівні та . Тоді область являтиме собою область високої кореляції акустичного і радіосигналу, область – область низької кореляції, а зона – область нульової кореляції. Кількість градацій, якщо потрібно, можна збільшувати (рис. 3).

Особливий інтерес викликає розсіяння при однакових видах (структурах) акустичного й радіосигналу і відношенні їхніх просторових протяжностей як , коли на акустичному хвильовому пакеті реалізується узгоджений з випромінюваним радіосигналом оптимальний фільтр. Розсіяний сигнал в цьому випадку являє собою автокореляційну функцію випромінюваних електромагнітних коливань, а сигнальна функція розсіяння збігається за виглядом з класичною функцією невизначеності радіосигналу. Можливість реалізації узгодженого фільтра на просторовій неоднорідності виявлено вперше. Це явище може бути використано практично, наприклад, для виявлення на великих висотах випромінюваного акустичного збурення. Для обох складних сигналів у випадку узгодженої фільтрації спостерігається ефект стиснення розсіяного сигналу.

Значний інтерес має також дослідження деформації тіл розсіяння простих сигналів при зміні просторової частоти в межах акустичного імпульсу, наприклад, за лінійним законом. Із збільшенням девіації частоти головна пелюстка тіла розширюється вздовж осі і стає “порізаною”, що пояснюється появою у просторовому спектрі звукових коливань френелівських пульсацій. Відбувається також поворот тіла на кут, який збільшується із збільшенням , однак стиснення розсіяного сигналу в даному випадку не спостерігається. Поворот тіла проявляється як зміщення максимуму розсіяного сигналу за часом, що визначає помилку вимірювання часу запізнення чи далекості до цілі. Помилка збільшується із збільшенням та .

Введено новий термін – “радіоакустичний сигнал”, під яким розуміємо векторний зондувальний сигнал, що складається з двох сигнальних компонент, одновимірних акустичного та електромагнітного коливань: . Саме сукупність двох сигналів формує характеристики системи в цілому і разом вони утворюють власне тіло розсіяння. При заміні одного з них змінюється й тіло розсіяння та характеристики системи. Припустимо, що число можливих видів одновимірних зондувальних коливань , тоді кількість можливих векторних радіоакустичних сигналів та кількість відповідних тіл розсіяння, що визначається як число комбінацій, . Наведені дані свідчать про специфіку та відносну складність задачі вибору й аналізу сигналів для радіоакустичних систем у порівнянні з аналогічною задачею в радіолокації.

В ряді задач дослідження зондувальних сигналів доцільно використати спектральне зображення двовимірної функції; відповідне тіло розсіяння для простих сигналів – акустичного імпульсу з гауссовою обвідною та прямокутного радіоімпульсу зображено на рис. 4, а. Перерізи тіла площинами являють собою просторові спектри розсіяних сигналів для заданих значень параметра (рис. 4 б, в, г). Для більшості тіл перерізи при є суттєво несиметричними і характеризуються зміщенням максимуму, а також центру ваги відносно точки . Це зміщення при розсіянні додається до доплерівського зсуву частоти і проявляється при оцінюванні як неінформативна добавка чи похибка (величина похибки визначення температури може досягати одиниць градусів).

Розроблені уявлення дозволили дати зрозумілу фізичну інтерпретацію, пояснити та упорядкувати значну кількість наукових результатів і даних, накопичених за тривалий період розвитку методів. Особливо продуктивними в цьому відношенні виявились частотні зображення (рис. 5). На рис. 5, а вісь просторових частот для звуку стиснута в два рази з метою наочності.

Як бачимо, у (2) під інтегралом знаходиться величина, що являє собою взаємний енергетичний просторовий спектр процесів і . Форма взаємного спектра визначає особливості взаємодії (рис. 5, а), а сам цей спектр у вигляді спектра часових частот відтворюється на виході спектроаналізатора радіоакустичної системи, який виконує аналіз розсіяної хвилі. При спектр || симетричний, при взаємний спектр асиметричний; якщо значення досить велике – сигнали стають ортогональними, а амплітуда розсіяного коливання дорівнює нулю. Застосовуючи подібний підхід до різних видів сигналів, можна зрозуміти, наочно відобразити та кількісно описати процес і результати їх взаємодії. За ступенем збагачення уявлень і можливостей дослідників і розробників апаратури введення частотних зображень в даній області можна порівняти з появою “частотної мови” при аналізі кіл та пристроїв.

Модуль виразу (1) при неперервному радіовипромінюванні, яке має , визначає обвідну сигналу відповідних доплерівських систем, експериментально одержана реалізація якого наведена на рис. 6, а. На рис. 6, б подано спектр розсіяного сигналу, який має, як бачимо, несиметричну форму.

Функція дозволяє також характеризувати процес розсіяння і на зосереджених радіолокаційних цілях (рис. 5, б). Наприклад, класична точкова ціль є - функцією у просторі, а її просторовий спектр сталий і необмежений в усьому діапазоні просторових частот від до . Тоді, як виходить з (1) при та з (2) при , перерізи тіла розсіяння точкового об’єкта вздовж осі являтимуть собою копії зондувального сигналу незалежно від значення параметра розстройки , а перерізи вздовж осі – прямі, паралельні площини .

Сформульовано характерне для простих акустичних сигналів протиріччя між далекістю дії системи, з одного боку, та діапазоном далекостей і роздільною здатністю, з іншого. Тобто, маючи єдиний незалежний параметр – тривалість, вони не можуть забезпечити бажаний розподіл тіла розсіяння за координатою . Властиві їм обмеження можна подолати використанням складних акустичних коливань, що характеризуються сукупністю параметрів, які можна варіювати при побудові потрібного тіла розсіяння та оптимізації показників якості системи. Це положення нагадує відому ситуацію в радіолокації, виходом з якої також стало застосування складних зондувальних сигналів. У роботі вивчені властивості і тіла розсіяння ЛЧМ, ФКМ звукових імпульсів (з симетричною і несиметричною, а також нелінійною ЧМ, різними законами фазової маніпуляції), утворені з простими радіоімпульсами.

У четвертому розділі розглянуто задачі і методи синтезу й оптимізації параметрів зондувальних сигналів, основані на використанні функції розсіяння.

В задачі синтезу при заданих функціях і (або ) потрібно знайти вид іншого сигналу. Для знаходження форм коливань або їх спектрів використовується перетворення Фур’є вихідних виразу (1) та виразу (2).

Вперше описано і представлено в термінах функціонального аналізу взаємодія в атмосфері електромагнітного та акустичного сигналів радіоакустичних систем, задачі аналізу й синтезу векторного радіоакустичного сигналу. При такому підході різні властивості, характеристики та особливості перетворення сигналів при розсіянні одержують наочний геометричний опис, відображення у вигляді геометричних образів, що суттєво спрощує розуміння та полегшує розв’язання поставлених задач.

Показано, що саме двовимірна взаємокореляційна функція , яка характеризує спільну фізичну здатність акустичного та електромагнітного сигналів формувати розсіяну радіохвилю, визначає