Харківський національний університет радіоелектроніки

Зубков Олег Вікторович

УДК 621.396.96:534.88:551.501.8

Розширення зони огляду і поліпшення технічних характеристик комплексу вертикального радіолокаційного зондування атмосферного прикордонного шару

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2004

Дисертація є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Сідоров Генадій Іванович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

завідувач кафедри “Радіоелектронні системи”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Баришев Ігор Володимирович,

Харківський національний аерокосмічний

університет ім. М.Є. Жуковського,

завідувач кафедри “Проектування радіоелектронних

систем літальних апаратів”

кандидат технічних наук, сташий науковий

співробітник

Бабкін Станіслав Іванович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

завідувач проблемної науково-дослідної лабораторії

зондування атмосфери харківського національного

університету радіоелектроніки

Провідна установа: ВАТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних

вимірювань Мінпромполітики України

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

Спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 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 16.04. 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ______________ Безрук В.М.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Значна увага сьогодні в усьому світі і у нашій країні приділяється проблемі вивчення фізики атмосферного прикордонного шару (АПШ) та удосконаленню методів і засобів його дослідження. Найбільш перспективними для цілей дослідження АПШ і вимірювання його характеристик є методи дистанційного вертикального зондування, а саме радіо-, акустичного і радіоакустичного. Слід зазначити, що першочергове призначення радіолокаційних систем вертикального зондування АПШ – контроль швидкості вітру, його напрямку, температури, ступеня турбулентності атмосфери над злітно-посадочною смугою з метою забезпечення безпеки зліту і приземлення літаків. Зазначені вище метеовеличини є основними для вимірювання відповідно до вимог автоматизованих систем керування повітряним рухом (АСКПР). Методи радіо- і радіоакустичного вертикального зондування дозволяють виконувати вимірювання швидкості вітру, його середньоквадратичних пульсацій, температури і т.і. у широкому діапазоні висот, не вимагають, на відзнаку від контактних методів, встановлення спеціальних метеорологічних щогл, запуску зондів тощо. Середньоквадратичні похибки вимірювання метеовеличин дистанційними методами не перевищують похибок контактного вимірювання. Зростаючі вимоги до безпеки польотів авіації, зменшення похибок вимірювання та вартості подібних систем в умовах збільшення інтенсивності зліту і приземлення обумовлюють необхідність удосконалення методів і засобів дистанційного зондування АПШ. Основна наукова тенденція розширення функціональних можливостей систем дистанційного зондування атмосфери полягає в удосконаленні методів і алгоритмів первинної та вторинної обробки прийнятих радіосигналів. Застосування більш досконалих методів первинної обробки радіосигналів, прийнятих радіолокаційними системами вертикального зондування атмосфери, дозволяє знизити похибки вимірювання профілів метеовеличин, розширити область їх визначення за рахунок підвищення спектрального розрізнення, зниження методичних похибок, одержувати достовірні оцінки метеовеличин при малих відношеннях сигнал/завада. Оптимізація алгоритмів, покладених в основу методів обробки радіосигналів, і самих методів за критерієм мінімуму числа математичних операцій дозволяє зменшити час вимірювання, що особливо важливо для підвищення темпу і безпеки зліту і приземлення літаків у сучасному аеропорті. Значну роль у вирішенні проблеми удосконалення методів і засобів дистанційного вертикального радіолокаційного зондування атмосфери відіграє комплексування систем зондування, застосування яких у сукупності дозволяє збільшити перелік вимірюваних метеопараметрів, розширити просторову область їх визначення, зменшити похибки вимірювання. Тому актуальність теми дисертаційної роботи визначається необхідністю удосконалення методів первинної та вторинної обробки радіосигналів у радіолокаційних комплексах вертикального зондування атмосферного прикордонного шару у зв'язку із зростанням вимог автоматизованих систем керування повітряним рухом до оперативності визначення метеопараметрів, розширення просторової області їх дистанційного вимірювання та підвищення точності, зменшення собівартості виробництва та експлуатації вимірювальних радіолокаційних комплексів.

Такий шлях не вимагає істотних конструктивних змін в апаратній частині і збільшення енергетичного потенціалу радіолокаційних систем дистанційного зондування, тобто економічно ефективний у порівнянні з іншими, що особливо актуально для України.

До сказаного варто додати, що вже понад 20 років у Харківському національному університеті радіоелектроніки існують і розвиваються наукові школи, що займаються створенням і удосконаленням методів і способів радіо- і радіоакустичного зондування атмосфери (РАЗ), а також засобів обробки прийнятих радіосигналів. Дана робота є продовженням наукових досліджень, що виконуються колективами вчених цих наукових шкіл.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з дослідженнями, виконаними в Харківському національному університеті радіоелектроніки. Це дослідження з держбюджетної теми №116.1 “РОЗВИТОК ТЕОРІЇ І РОЗРОБКА ШЛЯХІВ СТВОРЕННЯ РАДІОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЮ СТАНУ ПОВІТРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА І ПЕРЕДАЧІ ОТРИМАНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ” відповідно до тематичного плану Міністерства освіти та науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення оперативності вимірювання профілів метеопараметрів в атмосферному прикордонному шарі і розширення просторової області їх визначення комплексами вертикального радіолокаційного зондування, що містять доплерівський радіопрофайлер і радіоакустичну систему.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

-

-

-

-

Об'єкт дослідження – процеси обробки інформації в комплексі вертикального радіолокаційного зондування атмосферного прикордонного шару, що включає доплерівський радіопрофайлер і радіоакустичну систему.

Предмет дослідження – методи розширення області визначення профілів метеовеличин, підвищення оперативності обробки інформації і зменшення похибок вимірювання метеовеличин комплексом вертикального радіолокаційного зондування атмосферного прикордонного шару.

Методи дослідження:

-

-

-

Наукова новизна отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

Практична цінність отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в розробку способу формування імітаційного радіосигналу з заданими параметрами спектральної щільності потужності (див. роботу [1], виконану в співавторстві з Тихоновим В.А. і Сідоровим Г.І.) полягає в знаходженні аналітичного рішення системи рівнянь Юла-Уокера для випадку двомодового спектра радіосигналу. Також, на підставі результатів імітаційного моделювання з використанням ПЕОМ, здобувачем визначені середньоквадратичні відхилення вибіркових оцінок параметрів СЩП від заданих для випадків одномодового і двомодового спектрів.

Особистий внесок здобувача в зіставлення флуктуаційних похибок визначення перших двох моментів доплерівських варіацій відбитого від турбулентної атмосфери радіосигналу класичними і некласичними методами спектрального аналізу і параметризації спектральної щільності потужності (див. роботу [2], виконану в співавторстві з Олейніковим В.М.) полягає в наступному. Здобувачем синтезовано алгоритм проведення імітаційного моделювання і його програмна реалізація на ПЕОМ. Знайдені і зіставлені чисельні оцінки флуктуаційних похибок визначення перших двох моментів вибіркової спектральної щільності потужності, обчисленої з використанням швидкого перетворення Фур'є, періодограмного метода Уелча, за коефіцієнтами моделі авторегресії і параметризованої методами моментів та найменших квадратів.

Розробка комбінованих методів параметризації спектральної щільності потужності, їх апробація на реальних радіосигналах, отриманих із тропосферної РЛС вертикального зондування ХНУРЕ, та на імітаційних моделях цих сигналів, зіставлення результатів обробки при використанні традиційних методів і запропонованих виконана здобувачем без співавторів (див. роботу [3]).

Особистий внесок здобувача в вирішення задачі екстраполяції профілів швидкості вітру і його напрямків з якістю, що задовольняє вимогам автоматизованих систем керування повітряним рухом, (див. роботу [4], виконану в співавторстві із Сідоровим Г.І. і Величко Д.А.) полягає у висуванні ідеї про можливість екстраполяції профілів з використанням методів прогнозування з мінімальною середньоквадратичною похибкою прогнозування на базі моделей авторегресії. Здобувачем виконана апробація способу з використанням реальних профілів швидкості вітру і його напрямку, визначені порядки моделі авторегресії і метод прогнозування, що забезпечують максимальну вірогідність прогнозів і мінімальні середньоквадратичні похибки прогнозування.

Розробка удосконаленого способу адаптивного керування частотою радіопередавача системи радіоакустичного зондування, встановленої в комплексі з доплерівським радіопрофайлером, а також проведення імітаційного моделювання виконані здобувачем без співавторів (див. роботу [5]).

Апробація результатів дисертації проведена на міжнародних конференціях, на яких викладений наступний матеріал, що включений у дисертацію.

Ідея підвищення оперативності обробки радіосигналів у радіолокаційних комплексах вертикального зондування атмосфери і необхідність використання для спектрального аналізу моделей авторегресії обговорювалася на Другій Харківській конференції молодих вчених “Радіофізика і СВЧ електроніка” (Харків 2002, ІРЕ НАНУ).

Ідея екстраполяції в просторі профілів швидкості вітру і його напрямку з використанням методів прогнозування з мінімальною середньоквадратичною похибкою прогнозування на базі моделей авторегресії, обговорювалася на Сьомому міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті” (Харків 2003).

Ідея удосконалення способу адаптивного керування частотою радіопередавача системи РАЗ для забезпечення виконання умови Брегга в межах усього діапазона висот визначення профілів температури радіолокаційними комплексами вертикального зондування атмосферного прикордонного шару обговорювалася на міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації” (Туапсе 2003).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 роботах, 5 з яких є статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить вступ, 4 основних розділа, повний обсяг дисертації 219 сторінок, ілюстрації займають 26,5 сторінок, таблиці – 6,5сторінок, список використаних літературних джерел містить 113 посилань.

ОСНОВНий зміст дисертаційної роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми удосконалення методів та алгоритмів первинної та вторинної обробки радіолокаційних сигналів у радіолокаційних комплексах дистанційного зондування АПШ. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи “Радіо- і радіоакустичне зондування атмосферного прикордонного шару” проаналізовані спрямовані на підвищення безпеки зліту і приземлення літаків в аеропорті вимоги автоматизованих систем керування повітряним рухом до оперативності, похибок і просторової області дистанційного вимірювання профілів швидкості вітру і температури в атмосферному прикордонному шарі. Виконано огляд методів і засобів дистанційного вимірювання профілів температури і швидкості вітру радіолокаційним комплексом, що включає радіопрофайлер і радіоакустичну систему, а також методів і алгоритмів первинної та вторинної обробки радіосигналів, що прийняті такими системами. Проаналізовано шляхи підвищення оперативності первинної обробки прийнятих радіосигналів, що грунтуються на удосконаленні методів спектрального аналізу і параметризації вибіркового спектра, а також переваги і недоліки цих методів. Проведено аналіз шляхів розширення просторової області вірогідного визначення профілів швидкості вітру і його напрямку, що базуються на удосконаленні методів вторинної обробки метеоінформації. Висунуто гіпотезу про можливість екстраполяції профілів метеовеличин з використанням теорії прогнозування на базі моделей авторегресії за межі просторової області їх вірогідного визначення радіолокаційною системою. Проаналізовано способи розширення області визначення профілів температури в системі радіоакустичного зондування, на основі виконання умови Брегга в межах діапазону висот зондування цієї системи шляхом підстроювання частот радіо- чи акустичного передавачів. Показано, що для досягнення виконання умови Брегга в усьому діапазоні висот визначення температури ефективнішим є спосіб підстроювання частоти радіопередавача. Сформульовані недоліки, притаманні цьому методу, усунення яких вимагає проведення наукових досліджень. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, отримані при вирішенні поставлених задач, викладені в другому, третьому і четвертому розділах дисертаційної роботи.

У другому розділі дисертаційної роботи “Підвищення ефективності обробки радіосигналів, прийнятих РЛС вертикального зондування АПШ і синтез оптимальних алгоритмів обробки цих сигналів” обґрунтовується вибір методів вирішення задач підвищення оперативності первинної обробки радіосигналів, що прийняті доплерівськими радіопрофайлерами, а також розширення просторової області вірогідного вимірювання профілів швидкості вітру доплерівським радіопрофайлером. Викладаються теоретичні аспекти рішення цих задач. Для підвищення оперативності обробки радіосигналів, прийнятих доплерівськими радіопрофайлерами, вперше запропоновано використовувати для параметризації СЩП комбінації авторегресійного методу з методами моментів та найменших квадратів (НК). Авторегресійний метод використовується тільки для одержання початкових приблизних оцінок перших двох моментів СЩП (f, fd), тому що при реалізації цього метода через малі порядки моделі АР (перший, другий) флуктуаційні похибки вимірювання швидкості вітру і його середньоквадратичних пульсацій вище, ніж у традиційних методів. Уточнення параметрів СЩП, розрахованої за коефіцієнтами моделі АР більш високого порядку, виконується з використанням методів моментів та НК. Істотне зниження часу первинної обробки досягається за рахунок того, що при наявності інформації (одержуваної авторегресійним методом) про доплерівський зсув спектрального максимуму і його ширину потрібно обчислювати і піддавати подальшій параметризації з використанням методів моментів або НК тільки ту сукупність відліків частоти, що відповідає головному максимуму.

Для авторегресійного метода отримані аналітичні вирази, що зв'язують значення другого моменту вибіркової СЩП f з вибірковими коефіцієнтами моделі АР першого порядку і другого порядків

де Твідл – інтервал між часовими відліками в реалізації вибіркового радіосигналу; fd – величина доплерівського зсуву спектрального максимума в реалізації вибіркового радіосигналу на виході квадратурного детектора доплерівського радіопрофайлера.

Для доказу того, що запропоновані комбіновані методи забезпечують оцінювання швидкості вітру і його середньоквадратичних пульсацій із флуктуаційною похибкою, що не перевищує флуктуаційної похибки при використанні традиційних методів СА і параметризації СЩП, запропоновано виконати імітаційне моделювання і синтезовано алгоритм його проведення. Відповідно до цього алгоритму генерується статистично переконлива сукупність вибірок імітаційних радіосигналів, адекватних прийнятим доплерівським радіопрофайлером. Доплерівський зсув спектрального максимуму fd для кожної реалізації задається як випадкова величина з рівномірним законом розподілу в діапазоні можливих значень. Значення середньоквадратичної ширини максимума f фіксовано. Діапазони можливих значень fd і f визначаються за результатами первинної обробки радіосигналів, що прийняті тропосферними РЛС, поширеними на практиці методами СА і параметризації спектра. У даній роботі використані результати вимірювання тропосферної РЛС ХНУРЕ. До кожної реалізації сигналу додається вибірка адитивного білого шуму тієї ж довжини. Кожна отримана реалізації суміші сигналу із шумом піддається СА з використанням традиційних методів спектрального аналізу (БПФ, періодограмний метод Уелча з різними спектральними вікнами, непараметричне оцінювання на базі моделей АР) і параметризації спектра з використанням методів моментів, найменших квадратів, авторегресійного і запропонованих комбінованих методів. У діапазоні відношень сигнал/завада від 1 до 10 для кожної реалізації з ансамблю розраховуються відносні середньоквадратичні відхилення вибіркових значень перших двох моментів СЩП від тих, що задаються, і за результатами обробки всього ансамблю обчислюються флуктуаційні похибки вибіркових оцінок перших двох моментів СЩП. Для формування квадратурних складових імітаційних радіосигналів, адекватних прийнятим доплерівськими радіопрофайлерами, розроблено спосіб формування радіосигналу з одномодовим і двомодовим спектром по заданих параметрах СЩП на базі комплексної моделі АР. Цей спосіб, у порівнянні з альтернативними, дозволяє формувати вибірки квадратурних складових сигналу, оцінки СЩП яких не зміщені внаслідок віконної обробки і згладжені. Отримано аналітичні вирази, що зв'язують задані значення доплерівського зсуву мод і ширину цих мод з комплексними коефіцієнтами моделей АР першого порядку

і другого

У даному розділі вперше запропоновано використовувати теорію і методи прогнозування з мінімальною середньоквадратичною похибкою прогнозування на базі моделей АР для екстраполяції профілів швидкості вітру і його напрямку за межі просторової області вірогідного визначення цих метеовеличин доплерівськими радіопрофайлерами з вірогідністю, що задовольняє вимогам АСКПР. Адекватність застосування моделей АР для розв’язку поставленої задачі визначається наявністю кореляційних зв'язків метеовеличин у межах просторового радіуса їх кореляції. Для оцінки глибини вірогідного прогнозу і його якості запропоновано обчислювати абсолютні і середньоквадратичні відхилення спрогнозованих метеовеличин від їх дійсних значень і співставляти результат обчислення з граничними значеннями, обумовленими вимогами АСКПР до похибок вимірювання. Для одержання кількісних оцінок глибини вірогідного прогнозу та абсолютних відхилень прогнозу від дійсних значень синтезовано алгоритм обробки 10000 експериментальних профілів швидкості вітру і його напрямку з використанням ПЕОМ. Відповідно до цього алгоритму для кожного профіля з ансамблю на основі даних про швидкість вітру і його напрямок в діапазоні висот від 1 до h+m складалися прогнози для попереджень від 1 до m за значеннями прогнозованого параметра на висотах від 1 до h. Далі за результатами обчислення абсолютного і середньоквадратичного відхилень прогнозу від дійсних значень визначається, чи попадає з заданою вірогідністю значення спрогнозованої метеовеличини в вірогідні межі, визначені на підставі вимог АСКПР. Якщо так, то прогноз вважається вірогідним. За результатами обробки ансамблю реалізацій визначається глибина вірогідного прогнозу, оптимальні для цілей прогнозування порядок моделі АР і метод обчислення спрогнозованих значень метеовеличин.

У третьому розділі дисертаційної роботи “Апробація удосконалених методів первинної і вторинної обробки радіосигналів, прийнятих РЛС дистанційного зондування АПШ, на імітаційних і реальних радіосигналах” виконана експериментальна перевірка розроблених комбінованих методів параметризації СЩП із використанням прийнятих доплерівським радіопрофайлером реальних радіосигналів і їх імітаційних моделей. Попередньо доведено, що запропонований спосіб формування квадратурних складових імітаційного сигналу забезпечує генерування вибірок цього сигналу з параметрами СЩП, середньоквадратичні відхилення яких від тих, що задаються, не перевищують припустимих. Для цього згенеровано ансамбль вибірок квадратурних складових імітаційного сигналу розмірністю 10000. Доплерівський зсув спектрального максимуму для кожної реалізації випадковий, а відносні середньоквадратичні значення ширини спектрального максимуму дорівнюють f=(1/128)fдоп. max, (2/128)fдоп. max, (3/128)fдоп. max, (4/128)fдоп. max, де fдоп. max – максимальне значення доплерівського зсуву прийнятого радіосигналу. Для кожної реалізації сигналу з ансамблю розраховані середньоквадратичні відхилення вибіркових значень перших двох моментів СЩП від тих, що задаються, і результати розрахунку зіставлені з припустимими значеннями середньоквадратичних відхилень. З метою доказу адекватності імітаційних сигналів реальним проаналізований ансамбль з 500 сукупностей реалізацій реальних і імітаційних радіосигналів з ідентичними спектральними характеристиками і знайдене середнє по ансамблю значення коефіцієнта кореляції реальних та імітаційних сигналів.

Далі, у результаті імітаційного моделювання, отримані кількісні оцінки флуктуаційних похибок визначення перших двох моментів вибіркової СЩП для випадків, коли спектральна щільність потужності для кожної реалізації радіосигналу з ансамблю розраховується з використанням БПФ, метода Уелча (вікна Ханна, Хеммінга, Блекмана, Трикутне, Гаусса), за коефіцієнтами моделі авторегресії (коефіцієнти знайдені з використанням алгоритмів Берга, коваріаційним, модифікованим коваріаційним, Юла-Уокера), а параметризація СЩП виконана з використанням методів моментів, найменших квадратів, авторегресійного та запропонованих комбінованих методів. Виконано порівняльний аналіз отриманих кількісних оцінок для випадків, коли використовуються традиційні методи первинної обробки і запропоновані комбіновані методи. Експериментальна апробація запропонованих комбінованих методів виконана з використанням 40000 реалізацій квадратурних складових реальних радіосигналів, що прийняті тропосферною РЛС вертикального зондування ХНУРЕ. Спектральна обробка кожної реалізації виконана з використанням БПФ, методу Уелча, авторегресійного аналізу, параметризація спектра – з використанням методів НК, авторегресійного, комбінованих. По ансамблю реалізацій знайдені середньоквадратичні відхилення оцінок перших двох моментів СЩП, отриманих комбінованими методами, від тих оцінок, які отримані за допомогою поширених на практиці методів.

У третьому розділі також виконана експериментальна перевірка висунутої гіпотези про можливість екстраполяції профілів швидкості вітру і його напрямків за межі просторової області їх вірогідного визначення доплерівськими радіопрофайлерами. На підставі результатів експериментального вимірювання профілів швидкості вітру і його напрямку для кожного профілю з ансамблю в 10000 реалізацій виконана екстраполяція з використанням трьох видів прогнозу з мінімальною середньоквадратичною похибкою прогнозування на базі моделей АР (за коефіцієнтами різницевого рівняння, за коефіцієнтами імпульсної характеристики фільтра прогнозування, проінтегрована форма). З використанням двох запропонованих критеріїв оцінки якості прогнозу побудовані залежності імовірності влучення спрогнозованої метеовеличини в вірогідні межі прогнозу від висоти, з якої робиться прогноз. Оцінено глибину вірогідного, відповідно до вимог АСКПР, прогнозу, порядок моделі АР, що адекватний до цілей прогнозування. Вибір порядку моделі АР здійснювався з використанням критеріїв мінімуму середньоквадратичного відхилення і максимуму правдоподібності, а перевірка адекватності моделі здійснювалася з використанням сукупного критерію згоди.

У четвертому розділі дисертаційної роботи “Розширення просторової області визначення профілів температури комплексами вертикального радіолокаційного зондування атмосферного прикордонного шару” вирішується задача розширення просторової області вірогідного визначення профілів температури системою радіоакустичного зондування. З метою розв’язання задачі удосконалюються спосіб та алгоритм автопідстроювання радіочастоти випромінювання в системі РАЗ для досягнення виконання умови Брегга в усьому діапазоні висот зондування, де – кут між напрямками нормалей до фронтів акустичної та електромагнітної хвилі; е – довжина електромагнітної хвилі, м; а – довжина акустичної хвилі в атмосфері, м. При виконанні цієї умови досягається синфазність підсумовування радіохвиль, відбитих від елементів акустичної ришітки, що створена випромененим акустичним імпульсом, і у результаті підстроювання радіочастоти підвищується відношення сигнал/завада у вибірках прийнятих радіосигналів. Перша відмінність удосконаленого способу підстроювання радіочастоти від тих, що застосовувалися раніше, в тім, що в комплексі системи РАЗ та доплерівського радіопрофайлера інформація про швидкість вітру, що надходить від радіопрофайлера, використовується для визначення величини горизонтального і вертикального зносу акустичного пакета під дією вітру в діапазоні висот зондування системи РАЗ. Цей зсув враховується при подальшому підстроюванні частоти радіопередавача системи РАЗ з метою компенсації порушення умови Брегга, викликаного зносом акустичного пакета. Друга відмінність – підстроювання радіочастоти виконується дискретно для кінцевої сукупності висот за час 200 мкс. В інтервалах часу між підстроюванням, коли перехідні процеси в петлі автопідстроювання закінчені, здійснюється вимірювання швидкості звуку та обчислення за цими даними температури. Тільки в цьому випадку забезпечується вимога до короткочасної стабільності частоти радіовипромінювання і, отже, до похибок вимірів. Запропонований алгоритм керування радіочастотою випромінювання включає такі дії: а) на підставі результатів попереднього вірогідного вимірювання системою РАЗ і радіопрофайлером відповідно профілів температури і швидкості вітру до висоти hk значення радіочастоти випромінювання системи РАЗ, що відповідають виконанню умови Брегга в кожному з висотних шарів 1,2…hk, розраховуються за формулою , i=1…k..., де

се – швидкості електромагнітних хвиль в атмосфері, м/с; Vz – вертикальна складова швидкості вітру, м/с; fшаг fs – шаг автопідстроювання частоти радіопередавача системи РАЗ; – ціла частина; б)Відповідно до розрахованих значень fe,i при черговому зондуванні здійснюється керування радіочастотою випромінювання. Для висотних шарів hk+1…hk+m…частота радіовипромінювання залишається тією ж самою, як і для шару hk. У цьому випадку діапазон вірогідного визначення профілю температури при черговому зондуванні розширюється до висоти hk+m. Закінченню входження в синхронний режим роботи відповідає момент часу, коли автопідстроювання радіочастоти випромінювання не призводить до подальшого розширення зони вірогідного визначення профілю температури. Далі, у синхронному режимі роботи, мета керування радіочастотою випромінювання – відстеження змін швидкості вітру і температури з часом для підстроювання під умову Брегга. Для доказу ефективності роботи удосконаленого способу адаптивного керування радіочастотою випромінювання системи РАЗ виконано імітаційне моделювання роботи цієї системи на базі синтезованого алгоритма. При моделюванні використовувалися наведені в літературних джерелах модель зміни швидкості вітру з висотою, модель лінійної зміни температури з висотою і запропонована Бовшеверовим В.М. модель радіосигналу, прийнятого системою РАЗ. Імітаційне моделювання виконане для системи РАЗ з типовими технічними характеристиками, що працює в умовах слабкого та інтенсивного вітру (|Vг|=1м/с |Vг|=15 м/с відповідно), при значеннях висотного градієнта температури =1С/100м і 3С/100м, коефіцієнтах загасання акустичних хвиль в атмосфері =0.01, 0.05, 0.1 дБ/м. У результаті моделювання побудовані залежності зміни відношення сигнал/завада у вибірках прийнятого радіосигналу від номера зондування при входженні системи РАЗ у синхронний режим роботи, оцінений ступінь розширення області вірогідного визначення профілів температури для випадків інтенсивного і неінтенсивного вітру, визначені доцільні для практичного застосування діапазон довжин акустичних хвиль і довжини акустичного пакета. Також розрахована величина теоретичного зниження флуктуаційної похибки визначення температури системою РАЗ при використанні запропонованого алгоритма адаптивного керування радіочастотою випромінювання у порівнянні з випадком, коли підстроювання не застосовується. У четвертому розділі також доводиться можливість практично реалізувати синтезатор радіочастоти випромінювання з адаптивним керуванням; до нього пред'явлені технічні вимоги, обрана елементна база, на якій він може бути практично реалізований, розроблені програми для проведення імітаційного моделювання.

Висновки

У дисертації запропоноване нове рішення актуальної наукової задачі удосконалення методів і алгоритмів первинної і вторинної обробки радіосигналів у радіолокаційних комплексах вертикального дистанційного зондування атмосферного прикордонного шару шляхом застосування авторегресійних методів обробки прийнятих сигналів у комплексованій системі, яка містить доплерівський радіопрофайлер і радіоакустичну систему, а також шляхом застосування ефективного алгоритму керування радіочастотою системи РАЗ. Це дозволило істотно зменшити час первинної обробки радіосигналів, що прийняті радіолокаційними системами вертикального зондування атмосфери та розширити просторову область вірогідного визначення профілів швидкості вітру і температури.

Основні результати роботи такі:

1.

2.

3.

4.

У цілому мета наукових досліджень, сформульована в дисертаційній роботі, досягнута шляхом удосконалення методів первинної і вторинної обробки радіосигналів у комплексах вертикального радіолокаційного зондування атмосфери. Запропоноване рішення поставленої актуальної задачі потребує мінімальних витрат економічних ресурсів, що особливо актуально для створення АСКПР України й узгоджується з загальними світовими тенденціями удосконалення засобів дистанційного зондування атмосферного прикордонного шару та зниження їх собівартості .

список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЇ

Зубков О.В. Розширення зони огляду і поліпшення технічних характеристик комплексу вертикального радіолокаційного зондування атмосферного прикордонного шару. – Рукопис.

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

Дисертацію присвячено підвищенню оперативності вимірювання профілів швидкості вітру і температури, а також розширенню просторової області їх вірогідного визначення комплексами вертикального радіолокаційного зондування атмосферного прикордонного шару, які містять доплерівський радіопрофайлер і радіоакустичну систему. Для підвищення оперативності вимірювання розроблено комбіновані методи параметризації спектра, що дозволило істотно скоротити час первинної обробки прийнятих радіосигналів. Вперше застосовано методи прогнозування з мінімальною середньоквадратичною похибкою прогнозування на базі моделей авторегресії для екстраполяції профілів метеовеличин за межі просторової області їх вірогідного визначення доплерівским радіопрофайлером з якістю, що задовольняє вимоги автоматизованих систем керування повітряним рухом. Вдосконалено алгоритм адаптивного керування частотою радіопередавача системи радіоакустичного зондування (РАЗ), у якому передбачена компенсація впливу зносу акустичного пакета горизонтальним вітром, що забезпечує точне виконання умови Брегга. Забезпечено вимоги до короткочасної нестабільності частоти передавача. Як результат, пропонуються удосконалені алгоритми обробки сигналів у радіолокаційному комплексі вертикального зондування, керування радіочастотою в радіоакустичної системі, а також перелік технічних вимог до синтезатора радіочастоти системи РАЗ. Удосконалені алгоритми апробовані з використанням результатів натурного вимірювання та імітаційного моделювання.

Ключові слова: доплерівський радіопрофайлер, радіоакустична система, параметризація спектральної щільності потужності, перший та другий моменти спектральної щільності потужності, авторегресія, прогнозування.

Зубков О.В. Расширение зоны обзора и улучшение технических характеристик комплекса вертикального радиолокационного зондирования атмосферного пограничного слоя. – Рукопись.

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

Диссертационная работа посвящена повышению оперативности измерений профилей скорости ветра и температуры, а также расширению пространственной области их достоверного определения комплексами вертикального радиолокационного зондирования атмосферного пограничного слоя, включающими доплеровский радиопрофайлер и радиоакустическую систему. Для повышения оперативности измерений разработаны комбинированные методы параметризации спектра, что позволило существенно сократить время первичной обработки принимаемых радиосигналов. Впервые применены методы прогнозирования с минимальной среднеквадратической ошибкой предсказания на базе моделей авторегрессии для экстраполяции профилей метеовеличин за пределы пространственной области их достоверного измерения доплеровским радиопрофайлером с качеством, удовлетворяющим требованиям автоматизированных систем управления воздушным движением. Усовершенствован алгоритм адаптивного управления частотой радиопередатчика системы радиоакустического зондирования (РАЗ), в котором предусмотрена компенсация влияния сноса акустического пакета ветром, что обеспечивает точное выполнение условия Брэгга. Обеспечены требования к кратковременной нестабильности частоты передатчика. Как результат, предлагаются усовершенствованные алгоритмы обработки сигналов в радиолокационном комплексе вертикального зондирования и управления радиочастотой в радиоакустической системе, а также перечень технических требований к синтезатору радиочастоты системы РАЗ. Усовершенствованные алгоритмы