Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет

радіоелектроніки

Євсєєв Дмитро Борисович

УДК 621.396

ОЦІНКА ПАРАМЕТРІВ МЕТЕОРНОЇ ЗОНИ АТМОСФЕРИ ФАЗОВИМИ РАДІОТЕХНІЧНИМИ СИСТЕМАМИ

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник,

Олейнiков Володимир Миколайович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

доцент кафедри “Радіоелектронні системи”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лагутін Михайло Федорович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

професор кафедри охорони праці;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Миценко Ігор Михайлович

Інститут радіофізики та електроніки

ім. О.Я. Усикова НАН України,

старший науковий співробітник.

Провідна установа: Радіоастрономічний інститут НАН України,

відділ декаметрової радіоастрономії.

Захист відбудеться "18" _жовтня_2006р. о _13-й_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 66061, м.Харків, просп. Леніна, 14,
ауд. 13.

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

Автореферат розісланий “____” ______________ 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _________ д-р техн. наук, проф. В.М. Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішим джерелом інформації про поточний стан атмосфери в діапазоні висот верхньої мезосфери – нижньої термосфери (80–110 км) є фазові радіотехнічні системи, у яких реалізований метод фазової моноімпульсної радіолокації – метеорні радіолокаційні системи (МРЛС). Такі особливості як висока часова розрізнювальна здатність, низька вартість вимірів, можливість робити виміри поза залежністю від часу доби, погоди й сезону роблять їх дуже корисними під час дослідження верхньої атмосфери. При радіолокації метеорних слідів здійснюються виміри коефіцієнта амбіполярної дифузії, які використовуються для визначення щільності, тиску й температури на висотах 80–110 км. Ці дані являють великий практичний інтерес для моніторингу екологічного стану атмосфери, оцінки притоку метеорної речовини на Землю, вирішення проблеми входу в щільні шари атмосфери супутників і космічних кораблів.

У зв'язку з цим потрібне вдосконалювання радіолокаційних методів і засобів дистанційного вимірювання параметрів верхньої атмосфери. У радіометеорному методі джерелом інформації є сигнали, відбиті від метеорних слідів – плазмових утворень, що виникають в результаті випару метеорних тіл. Іонізований метеорний слід, як радіолокаційна ціль, має ряд специфічних особливостей: він представляє плазмову неоднорідність із обмеженим часом існування, з випадковим часом появи й місця розташування в просторі, з наявністю дисперсійних, анізотропних властивостей і виражених поляризаційних характеристик. За часом загасання відбитого від метеорного сліду сигналу можна визначити величину коефіцієнта амбіполярної дифузії, що, у свою чергу, пов'язана із щільністю й температурою атмосфери.

Огляд науково-технічних досягнень в галузі застосування радіометеорного методу для дослідження атмосфери показує, що вимірювання щільності атмосфери через вплив цілого ряду факторів, мають істотний розкид. Відхилення від теоретичного значення щільності, для конкретної висоти, може перевищувати у відносних величинах 40%. Це викликає сумнів у надійності експериментальних даних про динамічні процеси в метеорній зоні, отриманих з використанням коефіцієнта амбіполярної дифузії. Однією із причин нестійкості результатів вимірів щільності атмосфери є недосконалість теоретичних моделей, що лежать в основі алгоритмів обробки інформації в МРЛС – обробки амплітудно-часової характеристики (АЧХ) сигналу, відбитого від метеорного сліду.

Для моніторингу стану верхньої атмосфери інтерес становить регулярне цілодобове зондування мережею станцій, через що виникає необхідність модернізації МРЛС із метою підвищення стабільності її метрологічних характеристик протягом часу.

Для досліджень тонкої структури атмосферних рухів особливу увагу під час удосконалення існуючої апаратури необхідно приділити підвищенню точності виміру просторового положення відбиваючої точки метеорного сліду. Для цього необхідне удосконалення фазової кутомірної системи МРЛС.

У дисертаційній роботі розглядаються питання, пов'язані з вирішенням актуальної науково-прикладної задачі щодо вдосконалення МРЛС з метою підвищення точності вимірювання просторового положення (кутових координат) відбиваючої точки метеорного сліду фазовим методом, підвищення стабільності точнісних характеристик МРЛС протягом часу і вдосконалювання методів обробки інформації з метою підвищення точності виміру індивідуальних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії. Для цього досліджується вплив явища резонансу під час відбиття електромагнітного поля від плазмового циліндра з урахуванням ефекту Фарадеєвського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондувального імпульсу при проходженні іонізованих шарів атмосфери.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Актуальність теми дисертаційної роботи підтверджується також зв'язком із плановими науково-дослідними роботами Харківського національного університету радіоелектроніки. Це дослідження з держбюджетної теми № 153 “Фундаментальні дослідження по удосконаленню інформаційно-вимірювальних радіолокаційних систем та мереж”, розділ 153 – 7 “Теоретичні та експериментальні дослідження засобів та методів дистанційного зондування об'єктів радіометодами”, що виконувалася відповідно до плану Міністерства освіти і науки України. У цій НДР дисертант був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності визначення параметрів верхньої атмосфери методом радіолокації метеорних слідів, виявлення факторів впливають на точнісні характеристики МРЛС і неврахованих у класичній методиці обробки сигналів, відбитих від метеорних слідів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі завдання:

- удосконалення фазометричної системи МРЛС із метою підвищення точності визначення висоти відбиваючої точки метеорного сліду й підвищення стабільності точнісних характеристик МРЛС протягом часу;

- модифікація методу обробки інформації МРЛС із урахуванням особливостей відбиття радіохвиль від метеорних слідів, у часовій і просторовій областях;

- удосконалювання методу обробки сигналу, відбитого від метеорного сліду, дослідження особливостей формування його амплітудно-часової характеристики;

- експериментальні дослідження впливу поляризаційних ефектів, що виникають при розсіюванні радіохвиль метеорними слідами;

- аналіз причин виникнення просторової анізотропії вимірюваної величини коефіцієнта амбіполярної дифузії;

- імітаційне моделювання розсіювання радіохвиль метеорними слідами, з метою оцінки вірогідності визначення коефіцієнта амбіполярної дифузії;

- вивчення внеску динамічних процесів в атмосфері у рівень флуктуацій вимірюваної величини коефіцієнта амбіполярної дифузії;

Об'єкт дослідження – процес радіолокаційного зондування верхньої атмосфери з використанням іонізованих метеорних утворень.

Предмет дослідження – точнісні характеристики МРЛС і модель відбиття радіохвиль від метеорних слідів, що покладена в основу алгоритму обробки інформації в МРЛС.

Методи дослідження:

- евристичний, з використанням якого намічено шляхи підвищення ефективності обробки сигналів у радіолокаційних системах зондування метеорної зони атмосфери й можливості розширення функціональних можливостей цих систем;

- методи математичної статистики для обробки результатів натурних експериментів, що дали можливість отримати експериментальні залежності коефіцієнта амбіполярної дифузії від висоти й кута місця, висотно-часові залежності (під час існування метеорного сліду) коефіцієнта амбіполярної дифузії за результатами одночасних вимірів, виконаних на двох частотах.

- методи імітаційного моделювання сигналів, відбитих від метеорних слідів, які дали можливість отримати висотно-часову залежність коефіцієнта амбіполярної дифузії за теоретичним значенням коефіцієнтів зворотного розсіювання електромагнітної хвилі, оцінити ступінь впливу Фарадеєвського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондувального імпульсу на вимірювані значення коефіцієнта амбіполярної дифузії.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Набула подальшого розвитку теорія розсіювання радіохвиль метеорними слідами при двочастотному зондуванні, що дало можливість оцінити вплив неізотермічності плазми метеорного сліду на динаміку амплітудно-часової характеристики відбитого сигналу.

2. Розроблено модель динаміки амплітудно-часової характеристики метеорного радіовідбиття, що враховує резонансний характер розсіювання радіохвиль іонізованими метеорними утвореннями.

3. Вперше отримано просторові розподіли коефіцієнта амбіполярної дифузії при двочастотному зондуванні з підвищеною точністю визначення висоти відбиваючої точки метеорного сліду, що дали можливість оцінити фактори спостережуваної анізотропії.

4. Розроблено модель просторового розподілу коефіцієнта амбіполярної дифузії при двочастотному зондуванні, що враховує вплив Фарадеевського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондуючого імпульсу й резонансного характеру розсіювання радіохвиль метеорними слідами. Показано, що спостережувана анізотропія великою мірою викликана цими явищами, і необхідне його урахування під час обробці радіолокаційної інформації в МРЛС.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Обґрунтовано методологію побудови МРЛС для атмосферних досліджень, яка дасть можливість підвищити точність визначення координат відбиваючої точки метеорного сліду, знизити вартість МРЛС та її експлуатації, підвищити часову стабільність її метрологічних характеристик.

2. Розроблено алгоритми обробки інформації в МРЛС із урахуванням впливу резонансного характеру відбиття радіохвиль від метеорних слідів ненасиченого типу, що знизить погрішність визначення коефіцієнта амбіполярної дифузії на 30%.

3. Урахування впливу ефекту Фарадея дало можливість знизити методичну погрішність виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії на 12%.

4. Результати роботи використано для удосконалювання МРЛС ХНУРЕ, що підтверджується відповідним актом про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно отримано основні результати дисертаційної роботи. У роботах, виконаних у співавторстві, авторові належать наступні результати.

Під час оцінювання деяких характеристик турбулентних процесів у тропосфері радіолокаційним методом [1] здобувачем виконано обробку й інтерпретацію результатів зондування.

Під час аналізу результатів двочастотних радіолокаційних вимірів коефіцієнта амбіполярної дифузії [2] здобувачем виконано відбір, на основі кількісних критеріїв, амплітудно-часових характеристик метеорних радіовідбиттів для наступного аналізу. Отримано поля кореляції величин коефіцієнта амбіполярної дифузії на висоту відбиваючої точки метеорного сліду для двох довжин хвиль. Здобувачем проведено кореляційно-регресійний аналіз експериментальних результатів. Проаналізовано можливі причини розкиду вимірюваних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії.

Під час дослідження поводження висотної залежності спостережуваних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного радіовідбиття [3] автор проаналізував результати метеорного зондування (амплітудно-часових характеристик метеорних радіовідбиттів). Розроблено алгоритм обробки результатів зондування й отримано висотно-часові залежності спостережуваних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного радіовідбиття. Для з'ясування причин істотної розбіжності поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії під час використання для зондування різних довжин хвиль здобувачем проведено модельний експеримент: отримано аналогічні висотно-часові залежності на основі теоретичних значень коефіцієнта зворотного розсіювання електромагнітної хвилі на плазмовому циліндрі.

Під час дослідження спостережуваної анізотропії коефіцієнта амбіполярної дифузії [4] здобувач отримав експериментальні висотно-кутомісні залежності поводження нормованого значення коефіцієнта амбіполярної дифузії, а також провів модельний експеримент і одержав аналогічні залежності на основі теоретичних значень коефіцієнта зворотного розсіювання й з урахуванням впливу іоносфери на зондувальний сигнал.

Апробація результатів дисертації. Основні результати й положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 6-и міжнародних конференціях.

Шляхи вдосконалювання системи калібрування фазових каналів кутомірної системи МРЛС обговорювалися на 2-й Харківській конференції молодих учених “Радіофізика й СВЧ електроніка” (2002, Харків) [5].

Результати дослідження поводження величини коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного сліду за результатами двочастотних радіолокаційних вимірів і можливі причини, що обумовлюють такий характер поводження, обговорювалися на 7-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка й молодь у ХХІ столітті” (2003, Харків) [6].

Результати експериментального дослідження характеристик турбулентних процесів радіолокаційним методом, що ілюструють анізотропність атмосферних процесів представлені на 13-й Міжнародній конференції “Свч-техніка й телекомунікаційні технології”
(2003, Севастополь) [7].

Результати моделювання поводження величини коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного сліду на основі теоретичних кривих модуля коефіцієнта зворотного розсіювання та ідея про значущість поляризаційних явищ при відбитті радіохвиль від іонізованих метеорних утворень обговорювалися на 8-му Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка й молодь у ХХ столітті" (2004, Харків) [8].

Запропоноване пояснення спостережуваної анізотропії величини коефіцієнта амбіполярної дифузії впливом ефекту Фарадея обговорювалося на 10-й Ювілейній міжнародній науковій конференції “Теорія й техніка передачі, прийому й обробки інформації” (2004, Туапсе) [9].

Гіпотеза про те, що спостережуваний при радіолокаційних дослідженнях розкид значень коефіцієнта амбіполярної дифузії є відбиттям реально існуючих в атмосфері коливань щільності, що відповідають поширенню внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГХ) і приливних коливань обговорювалася на 9-му Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка й молодь у ХХ столітті" (2005, Харків) [10].

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 робіт, з яких – 4 статті у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 6 – тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації – 200 сторінок, у тому числі 61 ілюстрація і 2 таблиці розміщені безпосередньо у тексті. Список використаних джерел містить 108 бібліографічних найменувань, що становить 11 сторінок. Додатки займають 13 сторінок, перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів – 6 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано цінність моніторингу стану верхньої атмосфери та актуальність вдосконалення МРЛС для вирішення цієї проблеми. Наведено дані про впровадження цієї роботи, особистий внесок автора й публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи надано загальний опис атмосфери й динамічних процесів, що проходять у ній. Відзначається їх надзвичайно складний характер і важливість верхніх шарів атмосфери як індикатора, що відображує стан клімату в цілому. Наведено огляд методів дослідження атмосфери й обґрунтування потенційної цінності радіометеорного методу для цієї мети. Наведено фізичні моделі розсіювання радіохвиль іонізованими метеорними утвореннями. У радіометеорному методі визначення тиску, температури і щільності атмосфери в метеорній зоні робиться на основі виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії. На прикладі спеціалізованої МРЛС SkiYMet (Австралія), призначеної для дослідження атмосфери, розглянуто характеристики й принципи побудови сучасних МРЛС. У МРЛС SkiYMet реалізована класична методика виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії за швидкістю загасання сигналу, відбитого від ненасиченого метеорного сліду:

,

де Da – коефіцієнт амбіполярної дифузії; – довжина хвилі на якій робиться зондування; – час, за який амплітуда прийнятого сигналу зменшитися в е раз.

Незважаючи на те, що під час розробки МРЛС SkiYMet використано новітні роботи в напрямку вдосконалювання радіометеорного методу, результати вимірів, виконаних протягом доби, мають істотний розкид. Наявність великого розкиду в індивідуальних значеннях вимірюваних параметрів викликає сумніви в надійності експериментальних даних про динамічні процеси в метеорній зоні. Як основні причини наявності цього явища розглядається недосконалість методів обробки радіолокаційної інформації та недосконалість метрологічних характеристик радіолокаційного обладнання. В останніх теоретичних роботах показано, що при радіолокаційних спостереженнях метеорів резонансне розсіювання радіохвиль викликає залежність параметрів відбитого сигналу від кута між площиною поляризації падаючої хвилі й віссю метеорного сліду. Вплив плазмового резонансу в метеорному сліді призводить до того, що поводження коефіцієнта відбиття стає відмінним від експонентного. Це вносить деякі методичні помилки у вимір коефіцієнта амбіполярної дифузії за класичною методикою і є однією із причин наявності розкиду індивідуальних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії. Не менш важливим фактором методичного характеру, що є можливою причиною наявності розкиду індивідуальних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії, є необов'язкова рівність у процесі амбіполярної дифузії температур електронів і іонів у метеорному сліді. Розглянуто вплив геомагнітного поля на спостережувані значення коефіцієнта амбіполярної дифузії.

У другому розділі дисертаційної роботи сформульовано вимоги до МРЛС для дослідження тонкої структури процесів у метеорній зоні атмосфери. Стисло розглянуто структуру, принцип роботи й характеристики автоматичного кутоміра МРЛС ХНУРЕ.

Для аналізу точнісних характеристик МРЛС, при визначенні просторового положення відбиваючої точки метеорного сліду, проаналізовано принципи організації вимірів у фазових кутомірних системах МРЛС. Проведено дослідження точнісних характеристик фазового кутомірного пристрою – проведено аналіз поводження функції правдоподібності системи. Наведено порівняльні розрахунки ймовірності правильного усунення неоднозначності для двошкальної системи. З'ясовано, що ймовірність правильного усунення неоднозначності збільшується зі зменшенням розміру баз, а при постійній апертурі та кількості антенних елементів у ній не залежить від вибору опорної антени.

Для мінімізації динамічних погрішностей виміру різниці фаз, викликаних перехідними процесами у вибірних ланцюгах радіочастотного тракту, необхідне фазове калібрування каналів, зменшення часового зсуву сигналів між окремими каналами та вибір часу виміру, що забезпечує необхідну точність вимірів.

Розглянуто систематичні погрішності й погрішності, які викликані впливом дестабілізуючих факторів, а також методику їхнього усунення шляхом калібрування вимірювальних трактів. Загальний недолік розглянутих видів калібрування полягає у відсутності систематичного калібрування антенно-фідерної системи.

Показано, що погрішності визначення кутових координат відбиваючої точки метеорного сліду, пов'язані з неоднорідностями показника переломлення атмосфери, не перевищують 10'.

Проаналізовано алгоритм визначення величини середньоквадратичної помилки одного виміру різниці фаз і середньоквадратичні помилки напрямних косинусів за всіма базами як для всього масиву вимірів, так і для вимірів у будь-якій області досліджуваного простору. Знаючи ці величини, можна визначити середньоквадратичні помилки виміру висоти й кутових координат відбиваючих точок метеорних слідів. Такий аналіз дозволяє врахувати всі види систематичних погрішностей автоматичного кутоміра.

Обґрунтовано застосування цифрових методів оцінки фазового зсуву з використанням аналого-цифрових перетворювачів. Для цього зроблено порівняння методом імітаційного моделювання точності методу виміру величин інтервалів між переходами через "0" (який реалізований у цифровому імпульсному фазометрі МРЛС ХНУРЕ) і методом на основі БПФ. Методом імітаційного моделювання показано, що в першому випадку величина помилки буде майже на порядок більше, ніж у другому. Метод, реалізований у цифровому імпульсному фазометрі МРЛС ХНУРЕ, також чутливий до наявності гармонік основного сигналу.

На основі аналізу науково-технічної літератури й виконаних раніше розробок запропоновано ряд заходів з модернізації МРЛС відповідно до якої:

) при двочастотному зондуванні можна перейти від використання п'яти антен до трьох (дві бази), що дасть можливість у чотири рази скоротити розміри антенної площадки;

) запропоновано змінити метод огляду простору, застосувавши альтернативну схему орієнтації діаграм спрямованості антен, тобто перейти до вертикального зондування метеорної зони атмосфери. Це дозволяє знизити радіолокаційні втрати на 7,6 Дб;

) для підвищення фазової стабільності каналів запропоновано знизити частоту сигналу, переданого від вимірювальних антен до фазометричних вимірювальних систем, тобто передавати сигнал на проміжній частоті, що вимагає розведення стабільного гетеродинного сигналу, для чого пропонується використати оптоволоконну лінію зв'язку. Її застосування у системах розведення фазостабільних сигналів дасть практичний виграш у фазовій стабільності, з урахуванням умов експлуатації, приблизно 15 – 20 разів у порівнянні з розведенням на коаксіальних кабелях, а також забезпечується гальванічна розв'язка між пристроями й вирішується проблема забезпечення внутрішньої ЕМС;

) у прийомних пристроях пропонується застосувати передгетеродинну обробку сигналу, шляхом застосування параметричних квантувачів фази для оцифрування прийнятого сигналу на носійній частоті; у них здійснюється пряме перетворення фаза – цифра без попереднього руйнування інформації про амплітуду, флуктуації якої принципово не мають впливати на результати фазового виявлення;

) помилку виміру часового положення сигналу пропонується зменшити широковідомим методом – за рахунок застосування широкосмугових сигналів шляхом їхньої оптимальної обробки. Можливе застосування ЛЧМ і фазоманіпульованих сигналів з базою сигналу значно більше одиниці. При цьому енергія сигналу на виході оптимального фільтра залишається рівною енергії вхідного сигналу, а виграш у точності забезпечується за рахунок розширення спектра сигналу;

) особливості розташування метеорної зони дозволяють застосувати складовий двочастотний зондувальний сигнал тривалістю 0,5 мс із періодом проходження порядку 1 мс. При однаковому енергетичному потенціалі комплексів це дозволяє знизити імпульсну потужність майже в 30 разів у порівнянні з методом похилого зондування;

) зниження імпульсної потужності дозволить, у свою чергу, перейти до використання твердотільних радіопередавальних пристроїв.

У третьому розділі дисертаційної роботи обговорюються результати експериментальних досліджень із метою вдосконалювання методики обробки інформації в МРЛС. Аналізуються результати двочастотних радіолокаційних вимірів коефіцієнта амбіполярної дифузії й висоти відбиваючої точки метеорного сліду, розглянуто причини розбіжності результатів вимірів коефіцієнта дифузії, проведених на двох частотах. Показано, що домінуючим фактором, який впливає на точність виміру коефіцієнта дифузії, є резонансні явища в метеорній плазмі. Отримані результати показують, що резонансні явища в метеорній плазмі при відбитті радіохвиль від метеорних слідів впливають на результати виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії, виконувані за традиційною методикою.

Для оцінки впливу неізотермічності плазми метеорного сліду на швидкість загасання амплітудно-часових характеристик (АЧХ) сигналів, відбитих від ненасичених метеорних слідів, проведено аналіз поводження вимірюваного значення коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування сліду за результатами двочастотних радіолокаційних спостережень (рис.1).

Оскільки при зондуванні на різних довжинах хвиль особливості висотно-часових залежностей D(t) істотно відрізняються (для більш довшої хвилі залежність носить набагато більш виражений характер), зроблено висновок, що спостережувана зміна коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного сліду не пов'язана з неізотермічністю метеорної плазми.

а) б)

Рис.1. Експериментальна висотна залежність часового ходу нормованого значення дифузії на довжині хвилі 9,6 (а) і 5,23 м (б)

Проведено чисельне моделювання поводження коефіцієнта дифузії протягом часу існування сліду в діапазоні висот метеорної зони атмосфери по теоретичних кривих модуля коефіцієнта зворотного розсіювання. При моделюванні використовувалися такі емпіричні залежності:

,

,

де h – висота відбиваючої точки метеорного сліду, r0 – початковий радіус метеорного сліду,– швидкість метеорного тіла.

Результати моделювання показують (рис. 2), що характер поводження висотної залежності часового ходу нормованого значення дифузії досить близький до поводження експериментальної залежності. У такий спосіб можна стверджувати, що резонансний характер відбиття радіохвиль від метеорного сліду дає переконливе пояснення поводженню спостережуваної залежності коефіцієнта дифузії від часу.

Рис. 2. Висотна залежність часового ходу нормованого значення дифузії на довжині хвилі 9,6 м за результатами моделювання для різних кутів ? 20?, під яким вісь метеорного сліду розташована до площини поляризації при опроміненні його електромагнітною хвилею з горизонтальною поляризацією, лінійна електронна щільність ?= 1011 ел.см-1

У четвертому розділі дисертаційної роботи обговорюються результати експериментальних досліджень просторової анізотропії коефіцієнта амбіполярної дифузії. Застосування радіолокаційних високоточних кутомірних пристроїв, значний обсяг експериментального матеріалу й застосовувані алгоритми обробки дозволили методично точно зробити дослідження просторової структури коефіцієнта амбіполярної дифузії, виявити так звану спостережувану анізотропію. Для оцінки анізотропії аналізувалося поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії, вимірюваного під різними кутами місця в діапазоні висот метеорної зони атмосфери (рис. 3).

а) б)

Рис. 3. Експериментальна висотно-кутомісна залежність поводження нормованого значення коефіцієнта амбіполярної дифузії для вимірів на довжинах хвиль 5,23 м (а) і 9,6 м (б)

Відзначено відмінність поводження а на різних довжинах хвиль і досить складну залежність від кута місця й висоти. Проведено модельний експеримент із метою з'ясувати вплив іоносфери (Фарадеєвського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондуючого сигналу) на вимірюване значення коефіцієнта амбіполярної дифузії. Зіставлення результатів моделювання (рис. 4) і експериментальних даних (рис. 3) показує, що як за характером висотно-кутомісної залежності, так і за кількісним значенням оцінки коефіцієнта амбіполярної дифузії, що отримані, багато в чому збігаються.

а) б)

Рис. 4. Висотно-кутомісна залежність поводження нормованого значення коефіцієнта амбіполярної дифузії на довжинах хвиль 5,23(а) і 9,6 м (б) для лінійної електронної щільності ? = 1011 ел.см-1 за результатами імітаційного моделювання

Отримані результати дозволяють зробити висновок, що спостережувана анізотропія коефіцієнта амбіполярної дифузії зумовлена ефектом Фарадея в метеорній зоні атмосфери.

Причиною, що викликає висотно-часові зміни Da, може бути реально існуючі варіації щільності атмосфери. Використовуючи результати виміру амбіполярної дифузії, що супроводжувалися високоточним виміром кутових координат, отримано дані про варіації параметрів атмосфери в метеорній зоні. На отриманих висотно-часових залежностях коефіцієнта амбіполярної дифузії добре проглядаються періодичні структури, що відповідають за своїми параметрами відомим видам коливальних рухів в атмосфері – ВГВ, приливним коливанням і т.д. Це дозволяє зробити висновок, що причиною, яка викликає спостережувані часові зміни D, є реально існуючі часові зміни щільності атмосфери.

Під час оцінювання анізотропії мезомасштабної турбулентності радіолокаційним методом виявлено, що області підвищеної анізотропії відповідають осередкам перебудови вітрового режиму й областям збільшеної ширини спектра швидкостей, значне збільшення коефіцієнта анізотропії спостерігається в районі тропопаузи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу вдосконалювання фазової МРЛС із метою підвищення точності визначення параметрів верхньої атмосфери радіометеорним методом. Виявлено фактори, врахування впливу яких в алгоритмі обробки інформації в МРЛС істотно підвищить вірогідність визначення амбіполярної дифузії у верхній атмосфері.

1. Розроблено методологію побудови сучасних МРЛС, призначених для досліджень атмосферних процесів. Її реалізація дозволить: зменшити в 4 рази розміри антеної площадки, істотно підвищити фазову стабільність прийомних каналів, підвищити точність виміру часового положення й фази прийнятих сигналів, знизити імпульсну потужність (при збереженні енергетичного потенціалу) майже на порядок. Методом чисельного моделювання показано перевагу цифрового виміру фази прийнятого сигналу в порівнянні з методом виміру величин інтервалів між переходами через "0".

2. Отримано висотні залежності поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного сліду за результатами двочастотних радіолокаційних вимірів з високоточним визначенням висоти відбиваючої точки метеорного сліду. За результатами їхнього аналізу показано, що поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії не пов'язано з неізотермічністю плазми метеорного сліду, а визначається резонансним характером відбиття радіохвиль від метеорного сліду.

3. Розроблено модель поводження коефіцієнта дифузії у часі в діапазоні висот метеорної зони атмосфери, визначеного за теоретичними кривими модуля коефіцієнта зворотного розсіювання. У результаті модельного експерименту показано, що характер поводження модельної залежності достатньо близький до поводження експериментальної залежності. Таким чином, можна стверджувати, що резонансний характер відбиття радіохвиль від метеорного сліду дає переконливе пояснення поводженню спостережуваної залежності коефіцієнта дифузії від часу.

4. На основі двочастотних радіолокаційних вимірів з високоточним визначенням висоти відбиваючої точки метеорного сліду отримано залежності коефіцієнта амбіполярної дифузії від кута місця й висоти, що дозволили оцінити т.зв. анізотропію цього параметра. У результаті аналізу цих залежностей відзначається істотна відмінність поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії, обмірюваного на різних довжинах хвиль, а також складна й неоднозначна залежність від кута місця й висоти.

5. Розроблено модель просторового розподілу коефіцієнта амбіполярної дифузії при двочастотному зондуванні, що враховує вплив Фарадеєвського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондувального імпульсу й резонансного характеру розсіювання радіохвиль метеорними слідами. Порівняння поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії, вимірюваного під різними кутами місця в діапазоні висот метеорної зони атмосфери за експериментальними даними й за результатами модельного експерименту, дозволяє зробити висновок, що спостережувана анізотропія коефіцієнта амбіполярної дифузії багато в чому зумовлена ефектом Фарадея в метеорній зоні атмосфери.

6. У роботі показано, що врахування в алгоритмі обробки інформації МРЛС, впливу резонансного характеру відбиття радіохвиль від метеорних слідів ненасиченого типу може знизити погрішність визначення коефіцієнта амбіполярної дифузії на 30%. Показано також, що при радіолокаційних вимірах урахування впливу ефекту Фарадея знизить методичну погрішність виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії на 12%.

7. На основі результатів виміру амбіполярної дифузії, що супроводжу-валися високоточним виміром кутових координат, отримано дані про варіації параметрів атмосфери в метеорній зоні. На висотно-часових залежностях коефіцієнта амбіполярної дифузії добре проглядаються періодичні структури, що відповідають за своїми параметрами відомим видам коливальних рухів в атмосфері – внутрішнім гравітаційним хвилям, приливним коливанням і т.д. Це дозволяє зробити висновок, що причиною, яка викликає спостережувані часові зміни коефіцієнта амбіполярної дифузії, є реально існуючі часові зміни щільності атмосфери.

8. Результати роботи використано для удосконалювання МРЛС ХНУРЕ, що підтверджується відповідним актом про впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Олейников В. Н., Соляник О. А., Евсеев Д. Б. Оценка некоторых характеристик турбулентных процессов в тропосфере радиолокационным методом // Прикладная радиоэлектроника. – 2004.– Т. 3, №1. – С. 35 – 40.

2. Олейников В. Н., Евсеев Д. Б. Коэффициент амбиполярной диффузии по результатам двухчастотных радиолокационных измерений // Прикладная радиоэлектроника. – 2004. Т. 3, №.3. – С. 10 – 15.

3. Олейников В. Н. Евсеев Д. Б. Радиолокационные наблюдения временной зависимости коэффициента амбиполярной диффузии метеорной плазмы // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2005. – Вып. 140. –
С. 37–45.

4. Олейников В.Н., Евсеев Д.Б. Наблюдаемая анизотропия амбиполярной диффузии метеорных следов // Прикладная радиоэлектроника. – 2005.– Т.4, №.2 – С. 212–217

5. Евсеев Д.Б. Особенности системы калибровки фазовых каналов угломерной системы метеорной РЛС. // Тезисы докладов 2-й Харьковской конференции молодых учёных "Радиофизика и СВЧ электроника".– Харьков: ИРЭ.–2002. – С.35.

6. Евсеев Д.Б. Наблюдаемое изменение коэффициента амбиполярной диффузии по результатам радиолокационных двухчастотных измерений. // Материалы 7-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии”. – Харьков: ХНУРЭ. – 2003.– С. 22.

7. Олейников В. Н. Соляник О. А. Евсеев Д. Б. Оценка характеристик турбулентных процессов в тропосфере методом радиолокационного зондирования. // Тезисы докладов 13-й Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии".– Севастополь.–2003. – С.753–754.

8. Евсеев Д.Б. Результаты моделирования нестационарности коэффици-ента амбиполярной диффузии при радиолокационных наблюдениях метеорных следов// Материалы 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии”. – Харьков: ХНУРЭ. – 2004. –С. 13.

9. Олейников В.Н., Евсеев Д.Б. Анизотропия амбиполярной диффузии в метеорной зоне атмосферы// Тезисы докладов Международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Туапсе. – 2004. – С.267–268.

10. Евсеев Д.Б. Влияние динамических процессов в термосфере на оценки коэффициента амбиполярной диффузии// Материалы 9-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии”. – Харьков: ХНУРЭ. – 2005. – С.36.

АНОТАЦІЯ

Євсєєв Д. Б. Оцінка параметрів метеорної зони атмосфери фазовими радіотехнічними системами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.17 – Радіотехнічні та телевізійні системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006.

У дисертаційній роботі розв'язано задачу вдосконалювання метеорної РЛС із метою підвищення точності визначення параметрів верхньої атмосфери радіометеорним методом.

У роботі обґрунтовано методологію побудови фазових метеорних РЛС для атмосферних досліджень, що дозволить підвищити точність визначення координат відбиваючої точки метеорного сліду, знизити вартість метеорної РЛС і її експлуатації, підвищити стабільність її метрологічних характеристик протягом часу.

На основі порівняння даних метеорного зондування та даних модельного експерименту показано, що резонансний характер розсіювання радіохвиль метеорними слідами та Фарадеєвське обертання площини поляризації зондуючого сигналу впливають на характер загасання відбитого від метеорного сліду сигналу. Врахування впливу цих факторів в алгоритмі обробки інформації у метеорній РЛС істотно підвищить вірогідність визначення коефіцієнта амбіполярної дифузії у верхній атмосфері.

Ключові слова: радіолокація атмосфери, метеорна радіолокаційна станція, коефіцієнт амбіполярної дифузії, інтерферометр, вимірювання фази, калібрування вимірювальних каналів, точність.

АННОТАЦИЯ

Евсеев Д.Б. Оценка параметров метеорной зоны атмосферы фазовыми радиотехническими системами. – Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 – Радиотехнические и телевизионные системы. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2006.

В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача совершенствования фазовой метеорной РЛС с целью повышения точности определения параметров верхней атмосферы радиометеорным методом.

В работе обоснована методология построения метеорных РЛС для атмосферных исследований, которая позволит повысить точность определения координат отражающей области метеорного следа, снизить стоимость метеорной РЛС и ее эксплуатации, повысить временную стабильность ее метрологических характеристик.

Для выяснения влияния неизотермичности плазмы метеорного следа на скорость затухания амплитудно-временной характеристики сигнала, отраженного от метеорного следа, в данной работе были получены высотные зависимости коэффициента амбиполярной диффузии в течении времени существования следа по результатам одновременных двухчастотных измерений и высокоточным определением высоты отражающей точки метеорного следа. Поскольку на различных длинах волн характер этих зависимостей существенно различен (для большей длинны волны изменение во времени значительно больше), сделан вывод, что неизотермичность метеорной плазмы не оказывает заметного влияния на скорость затухания отраженного сигнала.

В результате моделирования поведения коэффициента диффузии во времени в диапазоне высот метеорной зоны атмосферы, определённого по теоретическим кривым модуля коэффициента обратного рассеяния, показано, что характер поведения модельной зависимости достаточно близок к поведению экспериментальной зависимости. На основании этого в работе утверждается, что резонансный характер отражения радиоволн от метеорного следа даёт убедительное объяснение поведения наблюдаемой зависимости коэффициента диффузии от времени. Учет этого явления в алгоритме обработки информации в метеорной РЛС позволит снизить погрешность определения коэффициента амбиполярной диффузии на 30%.

Для оценки анизотропии коэффициента амбиполярной диффузии анализировалась его зависимость от угла места в диапазоне высот метеорной зоны атмосферы. Отмечено отличие поведения коэффициента амбиполярной диффузии на разных длинах волн и достаточно сложную зависимость от угла места и высоты. Был проведен модельный эксперимент с целью выяснить влияние ионосферы (Фарадеевского вращения плоскости поляризации электромагнитного поля зондирующего сигнала) на измеряемое значение коэффициента амбиполярной диффузии. Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных данных показывает, что как по характеру высотно-угломестной зависимости, так и по количественным значениям полученные оценки коэффициента амбиполярной диффузии во многом совпадают.

Ключевые слова: радиолокация атмосферы, метеорная радиолокацион-ная станция, коэффициент амбиполярной диффузии, интерферометр, измерение фазы, калибровка измерительных каналов, точность.

ABSTRACT

Evseev D.B. "The meteoric zone of atmosphere parameter estimation by phase radiotechnical systems". – a Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree by speciality 05.12.17 – radio engineering and television systems. – Kharkov national university of radio electronics, Kharkov, 2006.

Thesis is consecrate to a solving problem of the meteoric radar improvement for increasing of the accuracy of the upper atmosphere parameter determination by radiometeoric method.

A methodology of the phase meteoric radars for atmospheric research build, which will allow to accuracy raising of the determination of the meteoric trace reflecting area coordinates, reduce the cost of the meteoric radar and its usages, raise temporary stability of its accuracy.

A comparisons of the given meteoric sounding results and given simulation modeling results is shown that resonance nature of the radio waves dissipation on meteoric trace, and Faraday sounding signal polarizations planes rotation render the essential influence upon decay character of the signal which reflected from meteoric trail. The accounting of these phenomena influence in the information processing in meteoric radar will greatly raise determination validity of the ambipolar diffusions factor in upper atmosphere.

The Keywords: atmosphere sounding, meteoric radar, ambipolar diffusions factor, interferometer, phase measurement, receiving channels phase calibration, accuracy.

Відповідальний випусковий І.Д. Городенко

Підп. до друку 11.09.06. Формат 60х84 1/16 Спосіб друку –ризографія

Умов. друк. арк.. 1,2 Ціна договірна. Тираж 100 прим.

Зам. №2-564

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Віддруковано в навчально-науковому

видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ.

Україна, 61166, Харків, просп. Леніна, 14