Харківський національний університет

радіоелектроніки

Шейко Сергій Олександрович

УДК 691.396.96:534.88:551.51

Просторово-часові характеристики поля, розсіяного турбулентною атмосферою, та їх вплив на параметри радіотехнічних систем вимірювання профілю вітру

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фіз.-мат. наук, доцент

Петров Валерій Аркадійович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, професор кафедри

радіоелектронних систем.

Офіційні опоненти: доктор технiчних наук, професор

Величко Анатолій Федорович,

Інститут радіофізики та електроніки

ім. О.Я. Усикова НАН України (м.Харків), завідувач відділу;

кандидат технічних наук

Ульянов Юрій Миколайович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

старший науковий співробітник.

Провідна установа: Радіоастрономічний інститут НАН України,

м.Харків.

Захист відбудеться “ 19 ” травня 2004 р. о 13 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д64.052.03 у Харківському національному

університеті радіоелектроніки за адресою: 66061, м.Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 66061, м.Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “_9_” квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _____________ В.М. Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЇ

Актуальність теми. Доплерівські радіолокаційні системи (РЛС) вимірювання профілю вітру є важливими джерелами інформації про швидкість, напрямок переміщення і ступінь турбулізованості повітряних мас на висотах до 20 км. Інформація від РЛС вимірювання профілю вітру використовується в службах прогнозу погоди і штормосповіщення, в службах керування повітряним рухом, для моніторингу атмосфери в районах розміщення потенційних джерел небезпечних викидів.

Дуже актуальною є проблема підвищення безпеки польотів сучасних літаків, що виконують зліт і посадку на великій швидкості і за малий проміжок часу. Найбільшу небезпеку являють такі явища, як зсув вітру в районі злітно-посадочної смуги, а також турбулентність як природного походження, так і супутня турбулентність, викликана попередніми літаками. Особливо важливим питання метеорологічного забезпечення авіації є для України. Однією з перших європейських держав Україна створила єдину цивільно-військову систему керування повітряним рухом "Украерорух", а в даний час відпрацьовує заходи щодо приєднання до системи керування повітряним рухом Air Traffic Managment (АТМ), яка створюється Міжнародною організацією цивільної авіації ICAO. Система АTМ до 2010 р. включатиме також європейську мережу РЛС вимірювання профілю вітру.

Складність у вирішенні проблеми безпеки зльоту-посадки полягає в складності розробки адекватних інформативних методів прогнозування стану атмосферного пограничного шару в будь-якій точці простору в заданий момент часу за приземними значеннями метеовеличин, або за інформацією з метеозондів. Це різко підвищує значущість радіолокаційних вимірювань з високою роздільною здатністю за часом і високою точністю. Вимоги до точності в РЛС зазначеного типу такі: помилка вимірювання середньої швидкості вітру не повинна перевищувати 1 м/с, ширини спектра швидкостей – не більше 1 м2/с2.

Точність радіолокаційних вимірювань безпосередньо пов'язана з точністю оцінювання інформативних параметрів сигналу. У РЛС вимірювання профілю вітру корисний сигнал обумовлений розсіянням радіохвиль на неоднорідностях атмосфери турбулентного походження. Інформативними параметрами сигналу є частота центру ваги спектра, середній квадрат ширини спектра, а також середня потужність сигналів. Як правило, до складу РЛС вимірювання профілю вітру входить пристрій обробки радіолокаційних даних, який обчислює значення метеовеличин за оцінками інформативних параметрів радіолокаційних сигналів. За оцінкою середньої частоти спектра обчислюється середня швидкість вітру, за оцінкою ширині спектра – різниця радіальних швидкостей переміщення середовища в об’ємі розсіяння.

Точність оцінювання інформативного параметра сигналу для системи з заданим алгоритмом обробки може бути досягнута за умови, що радіолокаційна ціль має задані параметри. Найчастіше при оцінюванні точності задають такі параметри цілі, як ефективна площа вторинного випромінення (ЕПЦ) і закон розподілу амплітуд відбитих сигналів. У ряді випадків урахування лише цих параметрів виявляється недостатнім.

У дисертаційній роботі досліджується вплив просторово-часових характеристик поля, розсіяного радіолокаційною ціллю у вигляді обмеженої області турбулентної атмосфери, на повну помилку оцінювання інформативних параметрів сигналів у РЛС вимірювання профілю вітру.

Поле, розсіяне турбулентною атмосферою, має суттєву просторову неоднорідність. В таких умовах виникають втрати підсилення приймальних антен РЛС внаслідок неоднорідності поля в площині апертури. Це призводить до зменшення кінцевого відношення сигнал-шум у порівнянні з системою, що працює в однорідному полі. Зміна просторового розподілу розсіяного поля збільшує ширину спектра сигналів, а отже, і другу похідну обвідної відгуку системи за інформативним параметром. Обидви цих фактора збільшують середньоквадратичну помилку оцінювання інформативних параметрів сигналів у всіх вимірюваннях з використанням РЛС зазначеного типу.

Оскільки вимоги до точності вимірювань вітру в таких РЛС високі, одержання оцінок втрат точності оцінювання інформативних параметрів сигналів внаслідок просторово-часових особливостей розсіяного поля, а також розробка шляхів зменшення цих втрат, є особливо важливими. Це стимулювало проведення досліджень за темою дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до пріоритетних напрямків науково-технічної діяльності Міністерства освіти і науки України “Перспективні інформаційні технології, пристрої комплексної автоматизації, системи зв'язку”, “Охорона навколишнього середовища” в межах 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 квітня 1995 р.) і пов'язана з планом науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетної теми № 116 “Розвиток теорії і розробка шляхів створення радіотехнічних систем контролю стану повітряного середовища і передачі вимірювальної інформації” (2000 – 2002 р.).

При виконанні робіт за темою № 116 проведено дослідження еквівалентної структури вторинних джерел зворотного розсіяння радіохвиль у турбулентному середовищі шляхом моделювання на ЕОМ (2001 р.); методом імітаційного моделювання проведено дослідження динаміки джерел вторинного випромінення при розсіянні хвиль у турбулентній атмосфері (2002 р.); проведено натурні експерименти по вимірюванню профілю вітру в безхмарній атмосфері, отримано спектри розсіяних сигналів, проведено попередні вимірювання профілю вітру кореляційним способом (2003 р.).

Мета роботи – одержання числових оцінок зменшення реальної точності оцінювання інформативних параметрів сигналів у метеорологічних РЛC внаслідок втрат у відношенні сигнал-шум і при впливі факторів, що збільшують "ширину" відгуку системи за вимірюваним параметром.

Задачі дослідження

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об'єкт дослідження – зниження показників якості оцінювання інформативних параметрів сигналів у метеорологічних РЛС при розсіянні хвиль на турбулентних флуктуаціях параметра середовища.

Предмет дослідження – фактори, що знижують реальну точність оцінювання інформативних параметрів сигналів у метеорологічних РЛС внаслідок зниження кінцевого відношення сигнал-шум.

Методи дослідження:

-

-

-

-

Наукова новизна отриманих результатів

1.

2.

3.

4.

Практичне значення отриманих результатів. Втрати підсилення приймальних антен можуть бути заздалегідь обчислені і враховані при визначенні енергетичного потенціалу РЛС вимірювання профілю вітру.

Встановлений зв'язок втрат підсилення зі співвідношенням ефективних розмірів апертур приймальної та передавальної антен дає можливість обрати доцільні розміри антен з огляду на необхідні тактичні характеристики системи.

Результати досліджень дозволяють врахувати реальне значення середнього коефіцієнта підсилення приймальної антени при розрахунках середньої питомої ЕПЦ об’єму турбулентного середовища.

Числові оцінки збільшення середньоквадратичної ширини спектра сигналів внаслідок випадкових змін фази парціальних розсіяних хвиль при зсуві вітру дозволяють підвищити точність визначення різниці радіальних швидкостей переміщення середовища в об’ємі розсіяння.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно отримав основні результати, викладені в дисертації. У роботах, виконаних у співавторстві, авторові належать такі результати. При дослідженнях еквівалентної структури джерел вторинного випромінення Шейко С.О. розробив імітаційну модель флуктуацій коефіцієнта заломлення в об’ємі розсіяння, отримав структури еквівалентних джерел вторинного випромінення, провів розрахунки і отримав числове значення радіусу кореляції джерел вторинного випромінення (робота [1]). При аналізі кореляційної функції розсіяного поля в площині спостереження в системах вимірювання профілю вітру показав можливість заміни джерел в об’ємі розсіяння еквівалентною сукупністю джерел на площині, перпендикулярній напрямку зондування, отримав зв’язок кореляційної функції розсіяного поля в площині спостереження з розподілом поля в апертурі передавальної антени (робота [2]). Провів розрахунки і отримав числові значення втрат підсилення приймальних антен в РЛС вимірювання профілю вітру (робота [3]). При дослідженні структурних особливостей розсіяного поля провів розрахунки на ЕОМ просторових розподілень розсіяного поля в площині спостереження в фіксований момент часу, виконав оцінки статистичних характеристик миттєвих просторових розподілів поля (робота [4]).

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 5-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ столітті” (Харків, 2001 р.), на 8-ій Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі інформації” (“Інтегровані інформаційні системи і технології”, Харків, 2002 р.), 7-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ столітті” (Харків, 2003 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 робіт, з яких 5 – статті [1-5], 4 – тези доповідей [6-9].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 3 розділів, висновків і списку використаних джерел. Дисертація містить 131 сторінку, 52 рисунка, 2 таблиці, список використаних джерел зі 109 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована її актуальність, визначені мета і задачі досліджень, дана оцінка наукової новизни і практичної цінності роботи.

Розділ 1 містить огляд літературних джерел за проблематикою дисертації. Розглянуто принципи побудови і тактико-технічні характеристики доплерівських РЛС вимірювання профілю вітру. На відміну від РЛС, призначених для виявлення зосереджених цілей і селекції рухомих цілей, РЛС вимірювання профілю вітру повинні вирішувати задачі високоточного вимірювання швидкостей повітряних потоків в турбулентній атмосфері.

Потенційно досяжна точність вимірювань середньої швидкості повітряного потоку за цих умов визначається мінімальною середньоквадратичною помилкою оцінки інформативного параметра сигналу. Відомо, що дисперсія оцінки інформативного параметра , де – параметр, який дорівнює відношенню енергії сигналу до спектральної густини потужності шуму на виході оптимального пристрою обробки; – друга похідна обвідної відгуку системи за оцінюваним інформативним параметром.

При оцінюванні частоти, що відповідає центру ваги спектра, відгуком системи за оцінюваним параметром є спектр сигналів. За результатами експериментальних досліджень обвідна спектра сигналів у РЛС вимірювання профілю вітру має гаусову форму. В цьому випадку величина однозначно пов'язана з середньоквадратичною шириною спектра виразом , а середньоквадратична помилка оцінювання частоти центра ваги спектра дорівнює

. (1)

Помилки в реальних радіолокаційних системах описують співвідношенням (1), але вводять коефіцієнти втрат, що враховують зниження ефективного відношення сигнал/шум і збільшення ширини спектра.

Аналіз відомих теоретичних і експериментальних даних про просторову структуру поля, розсіяного турбулентною атмосферою, показав, що поле в апертурі приймальної антени РЛС вимірювання профілю вітру має різко флуктуаційний характер. Вплив цього фактора може призвести до втрат підсилення приймальної антени, а отже, і до зменшення параметра в порівнянні з роботою системи в однорідному полі.

Експериментальні дані, описані в літературі, показують, що ширина спектра сигналів у РЛС вимірювання профілю вітру, як правило, більше, ніж можна очікувати за різницею радіальних швидкостей в об’ємі розсіяння і не відповідає результатам контактних вимірювань. Цей ефект може бути пов'язаний з особливостями динаміки радіолокаційної цілі, яку являє собою турбулентна атмосфера.

Таким чином, точність радіолокаційних вимірювань залежить не тільки від технічних характеристик РЛС, розрахованих для випадку роботи системи в однорідному полі, але і від статистичних просторово-часових характеристик поля, розсіяного метеорологічною радіолокаційною ціллю.

Відповідно до мети досліджень необхідно

-

-

-

У розділі 2 досліджено характеристики еквівалентної структури радіолокаційної цілі і просторова структура розсіяного поля.

Щоб знайти детальну просторову структуру об’єму розсіяння в роботі застосовано спектральне представлення випадкового поля флуктуацій діелектричної проникності в атмосфері. Враховано групу складових тривимірного просторового спектра об’єму турбулентного середовища, що відповідають розсіянню хвиль у скінченний тілесний кут у напрямку джерела первинної хвилі.

Для виявлення характерних рис таких структур проведене імітаційне моделювання на ЕОМ. Розроблено алгоритм імітаційного моделювання флуктуацій діелектричної проникності в об’ємі турбулентної атмосфери, що враховує нормальний закон розподілу флуктуацій і вид просторового енергетичного спектра флуктуацій у реальній атмосфері. Статистичний перевірочний експеримент підтвердив адекватність розробленої моделі турбулентної атмосфери. Розроблено алгоритм розрахунку еквівалентної структури вибіркової функції об’єму розсіяння з урахуванням заданої групи спектральних складових турбулентності, що беруть участь у розсіянні.

Якщо вважати, що зондування здійснюється уздовж осі , то, виходячи з загальних властивостей перетворень Фур'є, можна показати, що розсіяння хвиль відбувається на еквівалентних флуктуаціях параметра:

, (2)

де – повільно мінлива обвідна лінійних ґрат; – випадкова комплексна функція, що залежить від реалізації неоднорідностей в об’ємі розсіяння; – модуль вектора розсіяння, при зворотному розсіянні .

З виразу (2) випливає, що еквівалентна структура об’єму розсіяння являє собою сукупність квазіперіодичних просторових утворень – лінійних ґрат. Осі ґрат орієнтовані паралельно вектору розсіяння, період коливань у ґратах відповідає умові розсіяння Брега. Амплітуди і фази коливань у ґратах випадкові і залежать від реалізації середовища в об’ємі розсіяння.

На основі загальних властивостей перетворень Фур'є оцінено величину радіуса кореляції ґрат у площині, перпендикулярній напрямку зондування. Показано, що поперечний радіус кореляції ґрат як парціальних джерел вторинного випромінення значно менше характерного розміру елемента розрізнення реальних радіолокаційних систем і має порядок довжини хвилі .

Отримані дані про еквівалентну структуру об’єму розсіяння справедливі за умов малих зворушень середовища і однократного розсіяння, а також при виконанні умови дифракції Фраунгофера. Як показано в статистичній теорії антен, у розглянутому випадку при розрахунку кореляційних функцій поля можна користатися критерієм далекої зони системи випадкових джерел з малим радіусом кореляції :

,

де – відстань від сукупності джерел.

Оскільки в нашому випадку , нерівність набуває вигляду , тобто виконується практично завжди.

При спостереженні розсіяного поля в зоні дифракції Фраунгофера має значення кутове положення джерел вторинного випромінення, подовжнє положення джерел несуттєве. У дисертації шляхом теоретичного аналізу показано, що при розсіянні хвиль об’ємом турбулентної атмосфери в РЛС вимірювання профілю вітру джерела вторинного випромінення, що створюють поле в площині спостереження, можна замінити еквівалентною структурою джерел на площині, яка перпендикулярна напрямку зондування і знаходиться всередині об’єму розсіяння. Інакше кажучи, задачу розсіяння в об’ємі можна звести до розсіяння хвиль на площині, кожна точка якої характеризується комплексним коефіцієнтом відбиття, пропорційним комплексній амплітуді лінійних ґрат.

Важливий результат дослідження структури радіолокаційної цілі полягає в тому, що радіус кореляції джерел вторинного випромінення відповідає умовам: , . Виконання цих нерівностей, а також умови незмінності розподілу розсіяного поля за малий інтервал часу, що не перевищує тривалості зондувального імпульсу, дає можливість застосувати теорему Ван-Циттерта – Цернике для розрахунку кореляційної функції розсіяного поля в площині спостереження. Відповідно до цієї теореми функція взаємної кореляції поля в точках і на площині спостереження пов'язана із середнім розподілом інтенсивності джерел дифракційним інтегралом Френеля-Кірхгофа:

, (3)

де ; – перетин об’єму розсіяння площиною , перпендикулярною напрямку зондування; – константа, а дужки означають середнє за ансамблем реалізацій.

З виразу (3) випливає, що

, (4)

де – автозгортка розподілу поля в апертурі передавальної антени; – деяка константа.

Якщо причиною відбиттів є великомасштабні неоднорідності чи шари нетурбулентного походження, кореляційна функція розсіяного поля може відрізнятися від (4).

Методом імітаційного моделювання проведено дослідження миттєвих просторових розподілів розсіяного поля в площині спостереження. Розподіл поля в площині спостереження розраховувався шляхом швидкого перетворення Фур'є від функції комплексних амплітуд джерел вторинного випромінення на площині, перпендикулярній напрямку зондування.

За результатами моделювання, характерною рисою розсіяного поля є шумоподібна плямиста структура, яка в оптиці одержала назву спекл-структури. Мінімальний розмір спеклів пов'язаний з розміром області розсіяння співвідношенням: . Обчислена за результатами модельного експерименту дисперсія флуктуацій розсіяного поля така, що в граничному випадку, коли реєструється поле в точці, що переміщається в площині спостереження, для інтенсивності поля має місце вираз: . Цей результат збігається з результатами, отриманими В.І. Татарським при аналізі поля, розсіяного турбулентною атмосферою, і Д. Габором в оптиці.

У розділі 3 досліджено вплив просторово-часових характеристик розсіяного поля на коефіцієнт спрямованої дії (КСД) приймальних антен і ширину спектра сигналів у РЛС вимірювання профілю вітру.

Втрати середнього КСД приймальної антени РЛС вимірювання профілю вітру обчислено за співвідношенням, яке отримане в статистичній теорії антен Я.С. Шифріним:

, (5)

де ; ; – максимальний КСД за відсутності флуктуацій поля в апертурі; – сума дисперсій рівня амплітуди і фази поля; – відношення інтервалу кореляції поля до ефективного розміру апертури ; .

Щоб скористатися виразом (5), у роботі розраховано невідомі раніше параметри і . Точне значення параметра розраховане виходячи з розподілу імовірностей амплітуди і фази поля в площині апертури приймальної антени. Відомо, що розподіл імовірностей амплітуд розсіяного поля – релеєвський, а фаз – рівномірний. Дисперсії рівня амплітуди і фази поля за цих умов виражаються через математичні константи. Значення параметра , який входить до виразу (5), дорівнює

.

З урахуванням даних, отриманих у розділі 2, в окремому випадку однакових круглих апертур передавальної і приймальні антен значення параметра в залежності від розподілу поля в апертурі знаходиться в межах . Для значень і відношення , обчислене за формулою (5) зі збереженням перших десяти членів ряду, складає , тобто . Отже, втрати підсилення дБ.

Таким чином, середній КСД приймальних антен в таких системах, як РЛС вимірювання профілю вітру, при однакових передавальній і приймальній антенах не перевищує приблизно 1/5 максимального КСД. Це означає, що за інших рівних умов, для забезпечення заданої точності вимірювань необхідно збільшити випромінювану потужність у разів.

Втрати підсилення залежать від співвідношення діаметрів приймальної і передавальної антен (рис.1). Параметр приблизно дорівнює: , де і – ефективні діаметри антен. Щоб зменшити втрати, необхідно вибрати таке співвідношення між розмірами антен, що забезпечує необхідні тактико-технічні характеристики системи. Збільшення апертури передавальної антени збільшує граничні значення . При обчисленні середньої ЕПЦ турбулентної атмосфери мають бути враховані знайдені втрати підсилення приймальних антен.

Рис.1

З даних, отриманих у розділі 2, випливає, що еквівалентна структура об’єму розсіяння істотно відрізняється від протяжних радіолокаційних цілей у вигляді точкових джерел у турбулентному потоці. Вплив характеристик поля, розсіяного такою ціллю, на ширину спектра може виявлятися у вигляді похідної фази джерел вторинного випромінення навіть за відсутності радіального переносу середовища.

Розроблено алгоритми моделювання динаміки середовища, що відповідають випадкам зсуву вітру і дрібномасштабній перебудові середовища. Алгоритми дозволяють формувати дискретні вибірки, що моделюють флуктуації турбулентного середовища в об’ємі розсіяння в послідовні моменти часу ,… з урахуванням обраної гіпотези еволюції середовища. Для кожної вибіркової функції обчислювався еквівалентний розподіл комплексних амплітуд джерел вторинного випромінення . Похідні фаз джерел вторинного випромінення обчислювалися в скінченних приростах.

Модельні експерименти показали, що похідні фаз джерел вторинного випромінення при наявності зсуву вітру і турбулентності (навіть при нульових середніх радіальних швидкостях в об’ємі розсіяння) відмінні від нуля. Поперечні до напрямку зондування переміщення середовища внаслідок зсуву вітру викликають зміни структури неоднорідностей, що формують лінійні ґрати. Оскільки поперечний радіус кореляції ґрат малий і складає величину , то похідні початкових фаз коливань у ґратах мають помітні значення навіть при відносно малих зсувах вітру.

Модельний експеримент також показав, що при фіксованому зенітному куті збільшення середньоквадратичної ширини спектра в порівнянні із шириною , очікуваної за різницею радіальних швидкостей в об’ємі розсіяння, не залежить від величини зсуву вітру. На рис. 2 представлений графік залежності відносного розширення спектра від величини зенітного кута .

Рис.2.

Збільшення додаткового розширення спектра з ростом зенітного кута можна пояснити збільшенням частки тангенціальних складових швидкості в порівнянні з різницею радіальних швидкостей в об’ємі розсіяння. Відносне збільшення ширини спектра при зсуві вітру досягає 30% при зенітному куті .

Дослідження розширення спектра при дрібномасштабній перебудові середовища показали, що найбільший вплив на ширину спектра має турбулентна перебудова, характерні масштаби якої близькі до радіусу кореляції джерел вторинного випромінення . Розширення спектра в таких випадках значне може досягати до 110% у порівнянні з випадком, коли всі масштаби турбулентних перемішувань однаково імовірні. В таких умовах необхідна точність оцінювання частоти центра ваги спектра при заданому алгоритмі обробки може бути недосяжна.

Результати модельних експериментів підтверджуються натурними експериментами, проведеними на тропосферній РЛС вертикального зондування науково-навчального центра кафедри основ радіотехніки ХНУРЕ. Спостерігаються випадки (наприклад, у експериментах, проведених 28-31 травня 2003 р., 17-19 червня 2003 р.), коли результати вимірювань середньої швидкості вітру мають велику середньоквадратичну помилку і розцінюються системою як "промах" навіть при великих відношеннях сигнал/шум. Як правило, в цих випадках ширина спектра розсіяних сигналів перевищує величину середнього доплерівського зсуву частоти.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено актуальну наукову задачу отримання числових оцінок впливу просторово-часових характеристик поля, розсіяного турбулентною атмосферою, на коефіцієнт підсилення приймальних антен і середньоквадратичну помилку оцінювання середньої частоти і ширини спектра сигналів в РЛС вимірювання профілю вітру шляхом застосування тривимірного комплексного перетворення Фур’є для аналізу поля, розсіяного в скінченний тілесний кут. Отримані результати дозволяють уточнити розрахунок тактико-технічних характеристик РЛС вимірювання профілю вітру, зменшити енергетичні втрати в системі, підвищити точність вимірювання питомої ЕПЦ об’єму турбулентного середовища та різниці радіальних швидкостей в об’ємі розсіяння.

Основними науковими результатами роботи є такі.

1. У результаті аналізу еквівалентної структури радіолокаційної цілі визначена область просторових частот тривимірного спектра турбулентності, що беруть участь у розсіянні, й уточнено значення радіуса кореляції джерел вторинного випромінення в площині, перпендикулярній напрямку зондування. Показано, що радіус кореляції у випадку статистично ізотропного турбулентного середовища складає . Це дозволяє при розрахунках кореляційної функції розсіяного поля в площині спостереження для систем зазначеного типу скористатися двовимірним перетворенням Фур'є від розподілу потужності джерел вторинного випромінення в площині, поперечній вектору розсіяння.

2. Показано, що у випадку РЛС вимірювання профілю вітру зі зворотним розсіянням кореляційна функція поля в площині спостереження з точністю до постійного множника збігається з автозгорткою поля в апертурі передавальної антени.

Знайдено числові значення статистичних характеристик розсіяного поля – дисперсії флуктуацій рівня амплітуди, фази поля і відносного інтервалу кореляції. Ці результати дозволяють за відомими співвідношеннями розрахувати середні втрати підсилення приймальних антен.

3. При рівності апертур приймальної та передавальної антен втрати підсилення складають близько 7 дБ. Середньоквадратична помилка оцінювання середньої частоти спектра сигналів внаслідок цього фактора підвищується приблизно в 2,3 рази.

Втрати підсилення необхідно враховувати при розрахунках енергетичного потенціалу системи. Значення ЕПЦ, розраховане за величиною потужності сигналів без урахування втрат підсилення антен відрізняється від дійсного в 5 разів.

Вибір параметрів передавальних і приймальних антен метеорологічних радіолокаційних систем вимагає різних підходів. Розрахована залежність втрат підсилення приймальної антени від відношення ефективних діаметрів прий-мальної і передавальної антен, показала, що втрати підсилення приймальної антени зменшуються зі зменшенням її ефективного діаметра в порівнянні з передавальною. Тому заслуговує на увагу задача істотного зменшення бічних пелюстків діаграми спрямованості приймальної антени ціною деякого зменшення ефективної площі антени.

4. Розроблено алгоритми і програми імітаційного моделювання “миттєвих” тривимірних структур турбулентного середовища, що дозволяють однозначно зв'язати вибірку середовища в заданому об'ємі розсіяння з еквівалентною структурою джерел вторинного випромінення і розсіяним полем, а також обчислити похідні цих функцій у скінченних приростах за часом для обраної гіпотези еволюції середовища.

Шляхом імітаційного моделювання досліджено спектри відбитих сигналів при зсуві вітру і турбулентному переміщенні. Отримано модельні спектри, які за своєю структурою відповідають спектрам в натурних експериментах. В обох випадках спостерігаються спектри з багатомодовою, різко неоднорідною структурою. Багатомодові спектри спостерігаються і в тих модельних експериментах, коли розподіл швидкостей в об’ємі розсіяння обирався неперервним.

Порівняння результатів моделювання з даними натурних експериментів дозволяють зробити висновок, що “тонка” структура спектра обумовлена поточними зсувами фаз коефіцієнта відбиття лінійних ґрат, причому найбільших зсувів фаз зазнають ґрати з малими амплітудами. Похідні фаз коефіцієнта відбиття ґрат з амплітудами вище середньоквадратичних відносно невеликі і спектральні складові, обумовлені цими ґратами, створюють локальні максимуми поблизу частоти середнього доплерівського зсуву.

Найсильніший вплив на ширину спектра, крім різниці радіальних швидкостей переміщення середовища, чинять структурні зміни середовища, масштаби яких мають порядок довжини хвилі зондувального сигналу.

Додаткові зсуви частоти, обумовлені похідними фаз парціальних джерел вторинного випромінення (лінійних ґрат), носять випадковий характер і є специфічною особливістю турбулентної атмосфери як радіолокаційної цілі.

5. Шляхом імітаційного моделювання отримано кількісні оцінки розширення спектра розсіяних сигналів внаслідок похідних фаз парціальних хвиль при зсуві вітру і турбулентному русі.

При зсуві горизонтального вітру і зенітному куті додаткове розширення спектра внаслідок похідних фаз вторинних хвиль у середньому складає 30% від середньоквадратичної ширини, яка обумовлена різницею радіальних швидкостей в об'ємі розсіяння. При збільшенні зенітного кута додаткове розширення спектра зменшується і при складає 19%.

Отримано залежність відносного розширення спектра сигналу від величини зенітного кута. Цей результат дозволяє уточнити оцінки дисперсії радіальних швидкостей руху середовища в об'ємі, що розсіює хвилі.

6. У тому випадку, коли характерні масштаби турбулентних рухів в об'ємі розсіяння мають порядок довжини хвилі зондувального сигналу, додаткове розширення спектра досягає 110% від тієї ширини спектра, яка спостерігається у випадку, коли всі масштаби турбулентності однаково ймовірні.

Сумарний внесок зазначених факторів у ширину спектра розсіяних сигналів може давати відносне розширення спектра до 30%-140% від значення доплерівських зсувів частоти розсіяних сигналів. Середньоквадратична помилка оцінювання середньої частоти внаслідок розглянутих факторів розширення спектра збільшується в 1,3…2,4 рази.

7. Просторово-часові кореляційні функції поля у фокальній площині дзеркальної приймальної антени, отримані в результаті статистичної обробки даних при моделюванні, а також взаємні кореляційні функції сигналів у рознесених за кутовою координатою каналах підтверджують можливість вимірювань кутової швидкості переміщення турбулентного середовища кореляційним методом при вертикальному зондуванні.

Таким чином, розроблені моделі й алгоритми адекватно описують процеси розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері і, з урахуванням зазначених у роботі обмежень, дозволяють розраховувати поля та сигнали в системах із заданою конфігурацією. Отримані результати досліджень дають можливість виконувати розрахунки тактико-технічних характеристик РЛС вимірювання профілю вітру з урахуванням впливу просторово-часових характеристик розсіяного поля, а також вказують на доцільні шляхи зменшення енергетичних втрат у системі, підвищення точності вимірювань і побудови алгоритмів обробки сигналів.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЇ

Шейко С.О. Просторово-часові характеристики поля, розсіяного турбулентною атмосферою, та їх вплив на параметри радіотехнічних систем вимірювання профілю вітру. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2004.

Отримано числові оцінки впливу просторово-часових характеристик поля, розсіяного турбулентною атмосферою, на коефіцієнт спрямованої дії приймальних антен РЛС вимірювання профілю вітру та середньоквадратичну помилку оцінювання середньої частоти і ширини спектра відбитих сигналів. Дослідження базуються на представленні об’єму розсіяння у вигляді сукупності парціальних джерел вторинного випромінення – лінійних ґратів. Проведено теоретичний аналіз, визначені статистичні характеристики джерел вторинного випромінення та розсіяного поля. Розраховано втрати підсилення приймальних антен. Шляхом імітаційного моделювання визначено величину розширення спектру відбитих сигналів за умов дрібномасштабного перестроювання середовища. Одержані результати дозволяють уточнити розрахунок тактико-технічних характеристик систем, зменшити енергетичні втрати, підвищити точність вимірювань метеорологічних параметрів.

Ключові слова: система вимірювання профілю вітру, джерела вторинного випромінення, розсіяне поле, втрати підсилення антен, інформативний параметр сигналу, спектр сигналів, помилки.

Шейко С.А. Пространственно-временные характеристики поля, рассеянного турбулентной атмосферой, и их влияние на параметры радиотехнических систем измерения профиля ветра. – Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 – радиотехнические и телевизионные системы. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2004.

Исследовано влияние пространственно-временных характеристик поля, рассеянного турбулентной атмосферой, на коэффициент направленного действия приемных антенн РЛС измерения профиля ветра, а также среднеквадратическую ошибку оценивания средней частоты и ширины спектра рассеянных сигналов.

Проведен теоретический анализ эквивалентной структуры радиолокационной цели. Определена область пространственных частот трехмерного спектра турбулентности, участвующих в рассеянии. Уточнено значение радиуса корреляции источников вторичного излучения в плоскости, перпендикулярной направлению зондирования. Показано, что при расчете корреляционной функции рассеянного поля в плоскости наблюдения для систем рассматриваемого типа можно пользоваться двумерным преобразованием Фурье от распределения мощности источников вторичного излучения в плоскости, поперечной вектору рассеяния.

Показано, что в случае РЛС измерения профиля ветра, использующей обратное рассеяние, корреляционная функция поля в плоскости наблюдения с точностью до постоянного множителя совпадает с автосверткой поля в апертуре передающей антенны. Найдены числовые значения статистических характеристик рассеянного поля – дисперсии флуктуаций уровня амплитуды, фазы поля и относительного интервала корреляции. По известным соотношениям рассчитаны средние потери усиления приемных антенн. При равенстве апертур приемной и передающей антенн потери усиления составляют около 7 дБ. Среднеквадратическая ошибка оценивания средней частоты спектра сигналов вследствие этого фактора увеличивается в 2,2 раза. Это следует учитывать при расчете энергетического потенциала системы. Значение ЭПЦ, рассчитанное по величине мощности сигналов без учета потерь усиления антенн отличается от истинного в 5 раз. Потери усиления приемной антенны уменьшаются с уменьшением ее эффективного диаметра по сравнению с передающей.

Разработаны алгоритмы и программы имитационного моделирования, позволяющие однозначно связать выборку среды в заданном объеме рассеяния с эквивалентной структурой источников вторичного излучения и рассеянным полем, а также вычислить производные этих функций в конечных приращениях по времени для выбранной гипотезы эволюции среды. Исследованы спектры отраженных сигналов при сдвиге ветра и турбулентном движении. Получены модельные спектры, которые по своей структуре соответствуют спектрам в натурных экспериментах. Определено влияние на ширину спектра производных фаз источников вторичного излучения, при мелкомасштабной перестройке среды.

Установлено, что дополнительные сдвиги частоты, обусловленные производными фаз парциальных источников вторичного излучения, носят случайный характер и являются специфической особенностью турбулентной атмосферы как радиолокационной цели. При сдвиге ветра дополнительное расширение спектра за счет производных фаз вторичных волн достигает 30% от среднеквадратической ширины, обусловленной разностью радиальных скоростей в объеме рассеяния. Получена зависимость величины расширения спектра сигнала от величины зенитного угла, которая позволяет уточнить оценки дисперсии радиальных скоростей движения среды в объеме рассеяния. При характерных масштабах турбулентных движений порядка длины волны зондирующего сигнала, дополнительное расширение спектра составляет 110% от ширины спектра в случае, если все масштабы турбулентности равновероятны. Среднеквадратическая ошибка оценивания средней частоты спектра за счет рассмотренных факторов расширения спектра увеличивается в 1,3…2,4 раза.

Полученные результаты позволяют уточнить расчет тактико-технических характеристик РЛС измерения профиля ветра, уменьшить энергетические потери, увеличить точность измерений удельной ЭПЦ объема турбулентной среды и разности скоростей в объеме рассеяния.

Ключевые слова: система измерения профиля ветра, источники вторичного излучения, рассеянное поле, потери усиления антенн, информативный параметр сигнала, спектр сигналов, ошибки.

Sheyko S.A. Spatio-temporal characteristics of the field scattered by turbulent medium, and their influence on parameters of radar wind profilers. – Manuscript.

Thesis of the degree of Candidate of Technical science by specialty 05.12.17 – Radio Engineering and Television Systems. – Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2004.

The receiving antenna gain loss and medium frequency estimation mean-square error in radar wind profilers are derived in assumption of scattering by turbulent medium. Investigations based on the presentation of the non-uniform turbulent medium as a set of a linear grates with random parameters. The scattered field statistics is derived by theoretical analysis. It was shown if receiving and transmitting antenna are identical, the gain loss of the receiving antenna is about 7 dB at such conditions. The values of spectrum spreading in cases of wind shear and small-scale turbulent motions are derived by simulation. Investigations results allows to carry out more exact calculations of wind profilers performance characteristics, decrease of watt loss in wind profilers, increase of accuracy of wind measurements.

Key words: atmosphere sounding system, sounding signal, scattered field, informative parameter, antenna gain loss, signal spectrum.