Харківський національний університет

радіоелектроніки

Леонідов Володимир Іванович

УДК 621.396.96:534.88:551.501.8

удоСКоналення комплексної системи радіоакустичного та акустичного зондування пограничного шару АТМОСФЕРИ

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2007

Дисертація є рукописом.

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

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Сідоров Геннадій Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки МОН України, професор кафедри “Радіоелектронні системи”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Леховицький Давід Ісаакович, Харківський національний університет радіоелектроніки, провідний науковий співробітник науково-дослідного центру “Контроль повітряного та космічного простору”.

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ульянов Юрій Миколайович “Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” старший науковий співробітник кафедри “Динаміка і міцність машин”.

Провідна установа: | Радіоастрономічний інститут НАН України, відділ мікрохвильової радіоспектрометрії, м. Харків.

Захист відбудеться “ 30 ” травня 2007 р. о 13.00-ій годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

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

Автореферат розісланий “26” квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03

доктор технічних наук, професор __________________ В.М. Безрук

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сьогодні в практичних додатках фізики атмосфери й синоптичної метеорології спостерігається все зростаюча потреба в даних масових вимірах вертикальних залежностей (профілів) метеовеличин у пограничному шарі атмосфери. Аналіз таких даних дозволить вивчати термодинаміку атмосферного пограничного шару (АПШ) в інтересах розвитку теорії і практики прогнозування аномальних атмосферних явищ локального (мезометеорологічного) масштабу. Необхідність у такого роду прогнозах обумовлена необхідністю вирішення ряду важливих сучасних задач, таких як задача прогнозування еволюції зони забруднення АПШ шкідливими викидами, що має особливо важливе значення під час виникнення аварійних викидів, задача прогнозування аномального характеру поширення радіохвиль (явищ наддалекого поширення, явища субрефракції, виникнення “мертвих” зон у зонах огляду радіолокаційних систем (РЛС) при малих кутах місця), задача прогнозування і ідентифікації випадків виникнення локальних вихрових осередків і могутніх спадних потоків у приземному шарі атмосфери, що становлять надзвичайну небезпеку для авіаційного транспорту під час здійснення ними злету і посадки.

Вирішення поставленої задачі щодо виміру профілів метеорологічних величин можливо одержати за допомогою відомих систем радіоакустичного зондування (РАЗ), що являють собою метеорологічні доплерівські радіолокаційні системи, в яких як цілі використовується акустичний хвильовий пакет. Хвиля акустичного тиску створює періодичне збурювання діелектричної проникності повітря , на якому розсіюється енергія падаючої радіохвилі. Сьогодні розробці і розвитку таких систем приділяється дуже велика увага. Інтерес до практичного використання цих систем обумовлений принциповою можливістю проведення з їхньою допомогою масових вимірів метеорологічних величин з високою роздільною здатністю (порядку 5 м) у шарі атмосфери висотою до 1 км зі швидкістю вимірів порядку один профіль у 3 секунди при відносно невеликих витратах на їх виготовлення й експлуатацію.

Однак сучасні системи РАЗ мають також й істотні обмеження, що дотепер не дозволяє використовувати їх як засоби регулярного стандартного моніторингу параметрів стану пограничного шару атмосфери. Причини такого становища полягають у наступному.

На дальності (висоті) від випромінювача може бути реально створена хвиля акустичного тиску з амплітудою . Виникаюча при цьому амплітуда пульсацій дає відносно малий рівень потужності радіосигналу, відбитого на одному періоді хвилі , що є одним з обмежуючих природних факторів ефективності функціонування системи РАЗ.

Іншим за послідовністю викладу, але ніяк не за значущості, природним обмеженням ефективності функціонування системи РАЗ є присутність природних перешкод у вигляді спонтанних збурювань турбулентного поля температури і швидкості вітру атмосфери. Ці перешкоди вносять перекручування в періодичну структуру акустичного хвильового пакета, що приводить як до перекручування форми огинаючої радіо-ехосигналу, так і до його повного завмирання. Присутність цього явища істотно знижує функціональну надійність систем РАЗ, що значно зменшує (до 30%) обсяг інформації про температуру атмосферного повітря, яка витягується із радіолокаційного сигналу системи.

Отже, актуальною є науково-прикладна задача підвищення функціональної надійності системи РАЗ при зондуванні збуреної повітряної маси АПШ. У дисертаційній роботі ця задача вирішена шляхом уведення додаткової операції керування частотою випромінюваного радіосигналу на інтервалі часу, що дорівнює періодові повторення зондувальних імпульсів, причому реалізація функції керування частотою (ФКЧ) синтезується апріорно в результаті рішення ряду задач щодо прийому, обробки й аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ. Такий підхід збільшує функціональну надійність системи РАЗ по витягу інформації, яка використовується для вирішення задач фізики атмосфери та синоптичної метеорології.

Дана робота направлена на продовження досліджень у галузі розробки методів і засобів дистанційного радіоакустичного зондування пограничного шару атмосфери, започаткованих ще в 1968 році у Харківському інституті радіоелектроніки і розвинутими надалі в Харківському національному університеті радіоелектроніки відомими вченими, такими як Є.Г.Прошкін, В.І.Альохін, Г.І.Сідоров, С.І.Бабкін, Ю.М.Ульянов, В.М. Карташов, О.В.Зубков і деякими іншими.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з наступними науковими дослідженнями що є виконаними або проводяться у Харківському національному університеті радіоелектроніки і у яких здобувач був відповідальним виконавцем, зокрема:

1. Госпдоговірні науково-дослідні роботи (НДР): № 76-6 Дослідження методів і розробка радіоелектронної апаратури для дистанційного зондування інверсійних шарів тропічної атмосфери „Зонд” ”, № ДР 76036665; № 78-53 „Розробка методів і радіоелектронної апаратури для дистанційного зондування інверсійних шарів тропічної атмосфери ”, № ДР 79011692; № 81-45 „Розробка й оптимізація конструктивної реалізації засобів дистанційного акустичного дослідження турбулентних характеристик нижніх шарів атмосфери. Дослідження можливості одержання профілів вологості атмосфери акустичним зондуванням”, № ДР 0181 2 013947; №81-60 „Розробка акустичної системи з рознесеним джерелом і приймачем для виміру параметрів атмосфери”, № ДР 0182.1 019608.

2. Держбюджетні НДР: № 394-1 „Дослідження і розробка систем безперервного контролю за поширенням в атмосфері шкідливих викидів промислових підприємств”, № ДР 0195 023055; № 181-5 „Розробка теоретичної й експериментальної основи для проектування автоматизованих систем екологічного контролю пограничного шару атмосфери з використанням методів дистанційного акустичного зондування”, № ДР 0104U004065; № 214-5 „Розробка теоретичної й експериментальної основи для проектування автоматизованих систем екологічного контролю пограничного шару атмосфери з використанням методів дистанційного акустичного зондування”, № ДР 0107U001541.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення функціональної надійності системи вертикального радіоакустичного й акустичного зондування атмосферного пограничного шару.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

Формулювання вихідних вимог до тактико-технічних характеристик системи РАЗ з урахуванням виникнення в АПШ термодинамічних збурювань.

Аналіз впливу спонтанних термодинамічних збурювань у прикордонному шарі атмосфери на функціональну надійність систем РАЗ. Розробка й обґрунтування методу підвищення функціональної надійності системи в умовах виникнення в АПШ термодинамічних збурювань.

Розробка моделі ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ, розробка і дослідження методів формалізованої ідентифікації виникнення в АПШ аномальних термодинамічних збурювань та розробка методу визначення їх термодинамічних параметрів шляхом дослідження моделей вибірок акустичних ехосигналів що отримуються при різноманітних термодинамічних станах АПШ із метою забезпечення реалізації розробленого методу підвищення функціональної надійності системи РАЗ.

1. Технічна реалізація акустичного каналу системи РАЗ. Експериментальна перевірка вірогідності виявлення та визначення параметрів термодинамічних збурювань методом аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ та факту підвищення функціональної надійності системи РАЗ під час використанні запропонованого методу зондування в умовах спонтанного виникнення в АПШ термодинамічних збурювань

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

Предмет дослідження – моделі ехосигналів та методи зондування АПШ радіоакустичними системами при його різноманітних термодинамічних станах.

Методи дослідження. У процесі розв’язання поставлених задач використано: методи статистичного аналізу; апарат математичної фізики; теорія матриць; акустика неоднорідного середовища, що рухається; а також методи чисельного аналізу і синтезу.

Наукова новизна полягає у тому, що:

- доведено, що чутливість амплітуди ехосигналів радіоканалу системи РАЗ до дрібномасштабних турбулентних пульсацій температури має явно виражену залежність від похибки в підтримці умови хвильового узгодження (умови Брегга), що доводить необхідність використання додаткової інформації з метою більш досконалого забезпечення підтримки умови хвильового узгодження уздовж всієї траси зондування АПШ;

- виявлено, що припустимий діапазон зміни помилки підтримки умови хвильового узгодження, виражений через еквівалентні значення змін температури, дорівнює або менше необхідної точності виміру вихідного параметра – профілю температури, а амплітуда природних пульсацій температури в АПШ при збурених термодинамічних станах значно перевищує цей припустимий діапазон, що доводить необхідність уведення у процедуру зондування атмосфери апріорно синтезованої функції керування частотою радіопередавача системи РАЗ, яка розраховується на основі використання апріорної оцінки усередненого вертикального профілю температури в АПШ.

- вперше запропоновано використовувати інформацію про амплітуду акустичних ехосигналів як дані про виникнення дрібномасштабних турбулентних пульсацій температури в АПШ, які є причиною виникнення природних перешкод у системах РАЗ, що дозволило досягнути істотного зменшення вірогідності збоїв (до 30%) під час приймання радіо-ехосигналів за рахунок використання апріорних гіпотез відносно профілів температури, які висуваються на основі аналізу акустичних ехосигналів (у відомих системах РАЗ збої спостерігаються приблизно в 30% загального часу спостережень у залежності від типу поточного термодинамічного стану атмосфери);

вперше запропоновано використовувати інформацію про просторово-часові характеристики вибірок розсіяних від неоднорідностей АПШ акустичних сигналів (ехограм) з метою вибору моделей функції усередненого розподілу температури АПШ, які використовуються для розрахунку реалізацій функції керування частотою випромінюваного радіосигналу;

удосконалено методи обробки вибірок акустичних ехосигналів на основі дослідження розроблених моделей ехограм для кожного з типів ТДС АПШ, які утворюють повну групу несумісних подій, що дає можливість автоматизувати процес аналізу і класифікації акустичних ехосигналів та здійснювати на цій основі автоматичний вибір моделей профілю температури, адекватних поточному стану АПШ, та розраховувати реалізації функцій керування частотою випромінюваного радіосигналу.

Практична значущість отриманих результатів полягає у тому, що:

- виявлення залежності виникнення випадкових глибоких флуктуацій і завмирань амплітуди радіо-ехо-сигналу від помилки хвильового узгодження дозволило розробити новий підхід щодо побудови алгоритму радіоакустичного зондування, у якому передбачається можливість підтримки функціональної надійності системи при радіоакустичному зондуванні обуреної повітряної маси;

- проведений систематизований аналіз ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ дозволив розробити метод апріорного відновлення реалізацій оцінок усереднених профілів температури в АПШ за даними акустичного зондування;

- розроблений метод радіоакустичного зондування АПШ, заснований на використанні апріорних оцінок профілів температури з використанням наступного уточнення цих оцінок радіоакустичним зондуванням, дозволив виключити вплив турбулентних аномальних збурювань у поле температури АПШ на функціональну надійність системи і формалізувати функціональну надійність, у частині відновлення профілів температури, у вигляді похибки їхнього апріорного відновлення;

- розроблений метод аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ дозволив автоматизувати процес відновлення й уточнення профілів температури при зондуванні обуреної повітряної маси, звести похибку їхнього відновлення до величини, що може бути отримана при зондуванні “спокійної” повітряної маси, тобто до величини .

Результати роботи впроваджено:

- у навчальному процесі кафедри радіоелектронних систем і використовуються при виконанні магістерських робіт, курсових і дипломних проектів, зв'язаних з розробкою систем дистанційного акустичного і радіоакустичного зондування атмосфери, та у лабораторних роботах з дисципліни „Пристрої запису та відтворення інформаціІ”, акт впровадження від 26 .05.2005р.;

- у держбюджетних науково-дослідних роботах: №181-5 “Розробка теоретичної й експериментальної основи для проектування автоматизованих систем екологічного контролю пограничного шару атмосфери з використанням методів дистанційного акустичного зондування” у частині розробки діючого експериментального зразка системи дистанційного акустичного зондування пограничного шару атмосфери” й №214-5 “Розробка теоретичної й експериментальної основи для проектування автоматизованих систем екологічного контролю пограничного шару атмосфери з використанням методів дистанційного акустичного зондування” в частині обґрунтування і розробки методу ідентифікації типу поточного термодинамічного стану пограничного шару атмосфери на основі аналізу даних акустичного зондування і розробки методики автоматичного аналізу акустичних ехосигналів, акт впровадження від 17.10.2006р.;

- планується впровадження в інституті радіофізики і електроніки Національної Академії наук України відділом дистанційного зондування Землі у частині розвитку методів дистанційного зондування атмосфери радіофізичними методами з метою розробки моделей впливу природного середовища на процес розповсюдження радіохвиль.

Особистий внесок здобувача (перелік праць здобувача цитується згідно списку, наведеному в авторефераті дисертації):

- у роботі [1-2] проведено розрахунки та аналіз результатів експериментальних досліджень.;

- у роботі [3] запропоновано новий підхід до інтерпретування результатів акустичного зондування атмосфери над поверхнею океану;

- у роботах [4-5] проведено збір, обробка й узагальнення результатів експериментальних досліджень;

- у роботі [6-8] запропоновано новий підхід до методики радіоакустичного зондування, адаптивний алгоритм підстроювання частоти радіосигналу у залежності від типу термодинамічного стану АПШ та систему інформативних ознак ехограм акустичного зондування пограничного шару атмосфери.

Апробація результатів дисертації проведена на 3-х міжнародних конференціях, на яких викладено матеріал, що включений у дисертацію:

II-їй міжнародній конференції „Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, (Харьков-Туапсе 17-19 сентября 1996г);

III Міжнародній науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень ’2004” (21-30 червня 2004 року, м. Дніпропетровськ);

На 10-ій Ювілейній міжнародній конференції: „Теория и техника передач, приема и обработки информации”, (28 сентября – 1 октября 2004 г, Харьков – Туапсе – 2004).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у восьми роботах, з яких 6 є статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить вступ, чотири основних розділи, повний обсяг дисертації 211 сторінок, ілюстрації займають 66 сторінок, таблиць немає, список використаних літературних джерел містить 79 посилань.

ОСНОВНий зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано актуальність задачі удосконалення методів та алгоритмів функціонування систем РАЗ АПШ. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи „Радіоакустичне й акустичне зондування як методи дослідження аномальних термодинамічних станів пограничного шару атмосфери” проаналізовано існуючі методи акустичного і радіоакустичного зондування АПШ; показано, що алгоритми сучасних систем РАЗ не адаптуються до змін термодинамічного стану АПШ і, зокрема, до виникнення в АПШ термодинамічних збурювань, які супроводжуються аномально високою інтенсивністю турбулентних пульсацій у полі температури, що призводить до виникнення аномально великих помилок під час вимірювання профілів температури, які класифікуються як збої. Відзначено, що авторами рекомендується робити відбраковування таких результатів, однак формалізовані правила відбраковування на сьогодні усе ще відсутні. Крім того, як випливає з огляду, процедура відбраковування призводить до втрат до 30% інформації з тієї її кількості, що можна було б одержати за умови відсутності збоїв під час приймання радіо-ехосигналів. У зв'язку з цим формулюється задача досліджень, яка полягає в удосконаленні системи РАЗ, спрямованому на підвищення функціональної надійності (ФН) витягу інформації про температуру АПШ під час виникнення у ньому аномальних термодинамічних станів.

У другому розділі дисертаційної роботи „Підвищення функціональної надійності системи РАЗ при аномальних термодинамічних станах пограничного шару атмосфери” обґрунтовуються параметри, що визначають тактико-технічні характеристики системи РАЗ з урахуванням виникнення в АПШ термодинамічних збурювань. Визначаються їхні граничні значення виходячи з вимог забезпечення масовості вимірів у просторі і безперервності в часі.

Крутизна характеристики, що позв'язує зміну частоти Допплера і зміни температури повітря, складає . З огляду на реальні зміни швидкості вітру і температури повітря , одержимо, що для прийому радіо-ехосигналів смуга пропущення приймача має складати величину . Потужність теплового шуму на входе приймача сантиметрового діапазону в смузі пропущення складає величину . У роботі розглядаються характеристики системи за умови, що потужність сигналу визначається нерівністю , тобто у цьому випадку забезпечується виконання умови , де – співвідношення сигнал/тепловий шум на вході приймача, що дозволяє вважати шумову складову помилки вимірювань значно меншою методичної і не враховувати Ії в подальшому аналізі.

Виконується теоретичний аналіз виникнення викидів у вигляді надприпустимих похибок вимірювання температури в точках шуканого профілю. Доводиться, що викиди з функції виміру температури виникають у системі РАЗ при зондуванні збурених повітряних мас за умови, що має місце помилка забезпечення умови хвильового узгодження (УХУ) або „умови Брегга”. Цей висновок ґрунтується на результатах імітаційного моделювання процесу підсумовування потужностей парціальних сигналів, розсіяних у зворотному напрямку кожним елементом збуреності діелектричної проникності повітря, що створюються акустичним хвильовим пакетом, при спільному впливі на кожний з його періодів двох факторів: відхилення істинного усередненого значення температури в імпульсному об’ємі від того значення , при якому УХУ виконується точно при заданих частотах і випромінюваних радіо - й акустичного сигналів відповідно (апріорна статична помилка прогнозу температури в імпульсному об’ємі) і дрібномасштабних () пульсацій температури на періоді акустичного хвильового пакета в момент часу , . Параметризація ефективності підсумовування хвиль здійснюється шляхом уведення коефіцієнта ефективності підсумовування (КЕП) парціальних хвиль

, (1)

де при , і по всьому простору імпульсного об’єму; - амплітуда напруженості поля електромагнітної хвилі, відбитої від періоду хвилі ; -- довжина хвилі випромінюваного радіосигналу; - швидкість поширення радіохвиль; - аргумент часу; - не вимірювана дальність; - середня температура повітря в імпульсному об’ємі, при якій УХУ виконується точно при апріорно встановлених значеннях і ; . При одержимо

. (2)

Функціональна надійність системи забезпечується, якщо , де - мінімально припустиме значення КЕП. Результати розрахунків функції (2) для і наведені на графіках рис.1. На графіках вертикальними лініями зображено величину СКВ коефіцієнта підсумовування щодо усередненого за безліччю реалізацій значення . На графіку також нанесено всі окремі реалізації для візуальної оцінки максимальних миттєвих відхилень і окремо залежності . На рис.2 наведено залежності для і де по осі ординат відкладаються значення у відсотках стосовно відповідного середнього значення . Простежується явно виражена залежність в обох випадках при ї . Залежності рис.1 - 2 побудовані, виходячи з поділу помилки УХУ на статичну, обумовлену апріорно невідомою середньою за простором імпульсного об’єму температурою , і динамічну, обумовлену існуванням дрібномасштабної турбулентності (ДМТ) у полі температури .

З отриманих залежностей випливає, що присутність тільки статичної помилки за відсутності турбулентності призводить до явно вираженої нелінійної амплітудної модуляції радіо-ехосигналу. Задаючись припустимим рівнем паразитної модуляції 5%, одержимо вузьку область і допуску на точність підтримки умови Брегга при і відповідно.

Виникнення ДМТ при додатково вносить випадкову нелінійну амплітудну модуляцію радіо-ехосигналу на інтервалі часу і ще більш звужує область допуску до і відповідно.

Якщо припустимий рівень паразитної амплітудної модуляції радіо-ехосигналу відповідає умові , вплив помилки дотримання умови хвильового узгодження (УХУ) може буде зневажно малим тільки в дуже вузькому діапазоні зміни температури, всього при зміні кількості хвиль в акустичному хвильовому пакеті .

Присутність збурювань в АПШ знижує функціональну надійність не тільки за рахунок виникнення збоїв під час приймання радіо-ехосигналів, а в більшому ступені за рахунок зниження точності вимірів у середньому за рахунок збільшення глибини паразитної амплітудної модуляції радіо-ехосигналу.

На основі дослідження залежностей рис.1 2 робиться висновок про те, що послабити вплив турбулентності на ФН можна тільки, зменшивши помилку . Видно, що мінімум рівня модуляції за рахунок ДМТ при даному СКВ температури приходиться на нульову помилку умови Брегга. Такий випадок має місце, коли середнє за імпульсним об’ємом значення температури апріорі відомо з похибкою не гірше .

Пропонується й обґрунтовується новий підхід до вирішення задачі підвищення функціональної надійності системи РАЗ. Підхід полягає у використанні функції керування частотою випромінюваного радіосигналу системи РАЗ, що розраховується на основі апріорної гіпотези щодо реалізації істинного усередненого профілю температури. Можливість висування такої гіпотези обґрунтовується шляхом аналізу наведених у літературних джерелах великої кількості статистичних даних з розподілу температури в АПШ. При конвекційному ТДС використовуються апріорні профілі температури в середовищі збуреності й у паузі між ними („фоновий”). При стійких ТДС використовуються апріорні профілі температури в шарі інверсії й у шарі над інверсією. Профілі прогнозуються у вигляді кусково-лінійної функції для характерних шарів. Вихідними даними є тип ТДС, що визначається шляхом аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ і результатів вимірів температури в приповерхньому шарі АПШ. Прогнозовані профілі уточнюються за даними радіоакустичного зондування

Розроблено й обґрунтовано метод функціонування комплексної системи РАЗ-АЗ і реалізуючу його структуру алгоритму у вигляді двох модулів: алгоритм зондування „збуреного шару” і алгоритм зондування „спокійного шару”. Обрано й обґрунтовано параметри системи при зондуванні за кожному з модулів алгоритму.

Процедура зондування розбивається на такі етапи зондування:

На першому етапі зондування виявляється тип ТДС. Для цього здійснюється сеанс акустичного зондування тривалістю й обробка отриманих ехосигналів. Якщо тип ТДС відноситься до збурених, розраховуються параметри термодинамічного стану АПШ. Далі застосовується одна з моделей і розраховується реалізація , що використовується на наступному етапі зондування. Якщо прийнято рішення про нейтральний тип ТДС, то застосовується модель , де .

На другому етапі здійснюється комплексне РАЗ-АЗ зондування протягом або в залежності від типу ТДС. За отриманими експериментальними даними виконується розрахунок похибки (рис.1-2), коректується реалізація і зондування відновлюється.

Зондування за алгоритмом “збуреного шару” припиняється за умови, що виконуються нерівності

, (3)

де і - допустимі значення оцінок математичного очікування і середньоквадратичного відхилення профілю похибки прогнозування апріорного профілю температури.

Тип ТДС класифікується за результатом обробки матриці-вибірки акустичних ехосигналів, отриманої на першому етапі зондування, де – кількість вимірів ехосигналів в одному профілі, - кількість зондувань на інтервалі . На наступних етапах зондування послідовно формуються додаткові матриці акустичних ехосигналів, що групуються на початку з вихідною матрицею , а на наступних етапах з черговою матрицею, в яких, для збереження вихідного розміру, анулюється підпростір перших елементів матриці . Зміст оновлюється після кожного етапу зондування. Індекс указує на кількість зондувань, зроблених на черговому проміжному етапі.

Після чергового відновлення даних у матриці проводиться витяг і аналіз інформації, що утримується в ній. Процедура класифікації і виміру параметрів термодинамічного стану повторюється і, таким чином, здійснюється процес спостереження за змінами в ТДС АПШ.

У третьому розділі дисертаційної роботи „Визначення граничних параметрів функції керування частотою випромінюваного радіосигналу системи РАЗ при аномальних ТДС” розробляється метод аналізу і класифікації ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ з метою ідентифікації типу ТДС і виміру параметрів термодинамічного стану АПШ. На основі отриманих даних розраховується функція керування частотою випромінюваного сигналу системи РАЗ. Для опису ехосигналів використовується принцип спільності властивостей, що реалізується на основі евристичної методології. Система інформативних ознак описів ехосигналів будується на „термодинамічному” принципі і є системою ознак, присутність яких у ехосигналі обумовлено певним термодинамічним процесом в АПШ. Система класів термодинамічних станів, що виявляються, утворює множини, що не перетинаються, оскільки що система термодинамічних станів, які ідентифікуються, становлять повну групу несумісних подій: стійкі, хитливі і нейтральні стани. Ефективність прийнятої системи ознак аналізується шляхом дослідження розроблених моделей вибірок акустичних ехосигналів. Модель вибірки ехосигналів будується як сукупність реалізацій окремих профілів, розрахованих за розробленими для кожного зі станів, що класифікуються, моделями профілів ехосигналів, при цьому модель профілю реалізує принципову термодинамічну властивість кожного зі станів - напрямок потоку тепла в АПШ.

Порядок вибору моделі для розрахунку реалізації чергового профілю визначається структурою термодинамічного режиму в АПШ. При конвекційному режимі в АПШ для реалізації цієї процедури на інтервалі часу задається деяка керуюча функція , що визначає порядок чергування профілів (наприклад, термічних струменів і пауз). Рішення про вибір розрахункової функції профілю ехосигналу в струмені або паузі виробляється на основі перевірки умов, заданих нерівностями

. (4)

де - вектор-стовпець матриці-вибірки ехосигналів, що моделюються.

Керуюча функція для режиму термічної конвекції отримана у такому вигляді

, (5)

де - безрозмірна амплітуда, - період повторення зондувальних імпульсів, - характерний період конвекційних струменів, – коефіцієнт фази, - випадковий компонент з обмеженим спектром, розподілений за нормальним законом з нульовим середнім і середньоквадратичним відхиленням . У виразі (5) перший доданок моделює періодичний компонент процесу виникнення термічних струменів. Аргумент цієї складової містить початкову фазу у вигляді , яка моделює можливий тренд періоду основної гармонійної складової процесу за допомогою завдання величини коефіцієнта . Другий доданок моделює випадкову складову процесу виникнення конвекційних струменів. Ширину спектра цієї послідовності обмежимо процедурою фільтрації.

Структура ехосигналів при інверсіях температури синтезується послідовним застосуванням однієї і тієї самої функції, що моделює профіль структурного параметра поля температури для стійких ТДС, але параметри цієї функції визначаються номером профілю, що обирається. Профіль ехосигналу розраховується на основі відомого рівняння акустичної локації при підстановці в нього профілю

. (6)

На рис. 3 наведений приклад реалізації моделі ехосигналів при конвекційному ТДС, його усередненого профілю і залежності коефіцієнта кореляції між автокореляційними функціями вибірки ехосигналу на висоті і на наступних рівнях висоти, а на рис.4 - приклад реалізації моделі ехосигналів при виникненні в АПШ інверсії температури.

У четвертому розділі дисертаційної роботи „Експериментальна перевірка ефективності розробленого методу радіоакустичного зондування пограничного шару атмосфери при аномальних ТДС” досліджуються реальні ехосигнали акустичного зондування, отримані за допомогою розробленого експериментального зразка системи дистанційного акустичного зондування АПШ. Аналіз ехограм проводиться відповідно до методики, викладеної в розділі 3 даної роботи. Проведений аналіз результатів експериментальних досліджень показує, що розроблена методика дозволяє з розрахованою імовірністю визначити тип сталого ТДС і висоту збуреного шару АПШ, при цьому похибка розраховується відповідно до обраного критерію точності. При режимі термічної конвекції критерій обирається у вигляді нерівності , де - коефіцієнт кореляції між автокореляційною функцією вектора-рядка, отриманої при матриці акустичних ехосигналів і автокореляційними функціями наступних рядків . Для інверсійних ТДС за висоту збуреного шару приймається висота, на якій значення амплітуди першої похідної усередненого профілю ехосигналу перевищує задане граничне значення.

Проведено експериментальне дослідження можливості підвищення функціональної надійності системи РАЗ під час використанні методу прогнозування профілів температури. Для цього побудована модель радіо-ехосигналів, у якій як джерело інформації про вплив турбулентності на методичну складову помилки підтримки умови хвильового узгодження використані реальні акустичні ехосигнали. Експеримент показав, що в умовах апріорної невизначеності щодо профілю температури в АПШ під час використання адіабатичної моделі профілю температури в присутності термодинамічних збурювань імовірність безвідмовної роботи системи РАЗ складає величину , що фактично означає втрату системою функціональної надійності в умовах збурених станів АПШ. Це доводить, що в тих 30% загального (наприклад, один рік) часу спостереження, на яких спостерігаються обурені стани, інформація, що могла б бути отримана системою, буде загублена.

Запропонований метод комплексного радіоакустичного й акустичного зондування завдяки керованому підстроюванню частоти випромінюваного сигналу дозволяє визначати функціональну надійність системи РАЗ в умовах виникнення термодинамічних збурювань величиною похибки виміру профілів і привести цю похибку до величини, рівної мінімальному методичному допускові на зміну вимірюваної величини, тобто до .

Висновки

У дисертаційній роботі виконане наукове дослідження, у результаті якого отримане вирішення актуальної науково-прикладної задачі з удосконалення комплексних систем радіоакустичного й акустичного зондування атмосферного пограничного шару за рахунок уведення додаткової операції керування частотою випромінюваного радіосигналу на інтервалі часу, рівному періодові повторення зондувальних імпульсів, причому реалізація функції керування частотою (ФКЧ) синтезується апріорно в результаті вирішення ряду задач під час прийому, обробки й аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ.

Основні результати роботи і висновки з них можна сформулювати в такий спосіб.

Гостра потреба в розвитку мережі метеорологічного моніторингу в Україні, яка в основному базується на дискретному (максимум 4 рази на добу) аерологічному радіозондуванні, може бути частково вирішена за рахунок упровадження комплексних систем РАЗ і АЗ, що забезпечують неперервний термодинамічний моніторинг пограничного шару атмосфери.

Ця ідея є в роботі домінуючою, і доцільність її вирішення підтверджується всією сукупністю отриманих результатів.

У роботі сформульовані вихідні вимоги до тактико-технічних характеристик системи РАЗ що враховують виникнення в АПШ термодинамічних збурювань.

Вирішено задачу виявлення причин, що призводять до функціональних збоїв системи РАЗ і, отже, до зменшення функціональної надійності системи в цілому.

Розроблено концепцію і метод удосконалення системи й алгоритму її функціонування, що будуються на прогнозуванні апріорного профілю температури і методиці визначення похибки його прогнозування.

Розроблено метод визначення термодинамічних параметрів стану АПШ, що є перемінними коефіцієнтами в моделях прогнозування профілів температури і, отже, у моделях розрахунку функції керування частотою випромінюваного радіосигналу системи РАЗ. Метод побудований на принципі параметризації аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ.

Проведено експериментальні дослідження і виконано аналіз отриманих результатів щодо прийому, обробки і дослідження ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ.

Доведено, що із застосуванням запропонованого методу зондування гранично досяжна точність відновлення профілів температури під час виникненні в АПШ термодинамічних збурювань може бути приведена до величини, що має місце при зондуванні незбурених станів, тобто характеризується похибкою при зміні числа періодів в акустичному хвильовому пакеті в діапазоні .

Результати розробки впроваджено у навчальному процесі кафедри радіоелектронних систем і використовуються під час виконання магістерських робіт, курсових і дипломних проектів, пов'язаних з розробкою систем дистанційного акустичного і радіоакустичного зондування атмосфери, та в лабораторних роботах з дисципліни „Пристрої запису та відтворення інформації”, акт впровадження від 26 .05.2005р.; в держбюджетних науково-дослідних роботах: №181-5 „Розробка теоретичної й експериментальної основи для проектування автоматизованих систем екологічного контролю пограничного шару атмосфери з використанням методів дистанційного акустичного зондування” у частині розробки діючого експериментального зразка системи дистанційного акустичного зондування пограничного шару атмосфери й №214-5 „Розробка теоретичної й експериментальної основи для проектування автоматизованих систем екологічного контролю пограничного шару атмосфери з використанням методів дистанційного акустичного зондування” в частині обґрунтування і розробки методу ідентифікації типу поточного термодинамічного стану пограничного шару атмосфери на основі аналізу даних акустичного зондування і розробки методики автоматичного аналізу акустичних ехосигналів, акт впровадження від 17.10.2006р. Планується впровадження в інституті радіофізики і електроніки Національної Академії наук України відділом дистанційного зондування Землі у частині розвитку методів дистанційного зондування атмосфери радіофізичними методами з метою розробки моделей впливу природного середовища на розповсюдження радіохвиль.

У цілому мета наукових досліджень, сформульована в дисертаційній роботі, досягнута шляхом удосконалення методів обробки радіо - та акустичних сигналів у комплексних системах вертикального радіолокаційного зондування атмосфери. Запропоноване вирішення поставленої актуальної задачі потребує мінімальних витрат економічних ресурсів, що особливо актуально для створення системи метеорологічного, радіофізичного та екологічного моніторингу на території України й узгоджується із загальними світовими тенденціями удосконалення засобів дистанційного зондування атмосферного пограничного шару та зниження їх собівартості .

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Апорович А.Ф., Сидоров Г.И., Сидько В.И., Леонидов В.И. Анализ частотно-энергетических соотношений при зондировании атмосферы акустическими видеосигналами // Радиотехника. – 1980. - вып. 55. - С. 93-98.

2. Апорович А.Ф., Сидоров Г.И., Сидько В.И., Леонидов В.И. К расчету частотно-энергетических соотношений в акустической локации атмосферы // Радиотехника. - 1980.- вып. 55. - С.88.

3. Леонидов В.И., Кивва Ф.В. Прогнозирование вертикальных профилей коэффициента преломления воздуха над океаном по данным дистанционного акустического зондирования // Физические исследования с использованием радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сборник научных трудов ИРЭ АН Украины. – Харьков. - 1991. - С.103-111.

4. Леонидов В.И., Кивва Ф.В. Алехин В.И Некоторые особенности формирования волноводных структур над морской поверхностью // Научное приборостроение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Сборник научных трудов ИРЭ АН Украины. - Харьков. - 1992. - С. 73-80.

5. Леонидов В.И., Сидоров Г.И Автоматизация классификации амплитудно-временных структур эхо-сигналов в системах акустического зондирования пограничного слоя атмосферы // Радиотехника. - 2004. - №137. - С.123-129.

6. Леонидов В.И. Анализ методики комплексного радиоакустического и акустического зондирования пограничного слоя атмосферы // Прикладная радиоэлектроника. – 2004. - Том 3. - №3. - С 22 - 26.

7. Семенец В.В., Леонидов В.И. Методика акустического зондирования в задаче экологического контроля пограничного слоя атмосферы // Прикладная радиоэлектроника. – 2005. - Том 4. - №3.- С. 274-279.

8. Леонидов В.И. Усовершенствование комплексной системы радиоакустического и акустического зондирования пограничного слоя атмосферы // Прикладная радиоэлектроника. – 2006.- Том 5. - №2. - С 201-213.

9. Дзюндзюк Б.В., Леонидов В.И. Система контроля загрязнения атмосферы вредными выбросами // Труды 2-я Междунар. Конф. „Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.- Том 2. - Харьков-Туапсе. – 1996. - 17-19 сентября. - С.87.

10. Леонидов В.И., Сидоров Г.И Автоматизация анализа данных в системах акустического зондирования пограничного слоя атмосферы // Праці III-і Міжнар. науково-практичної конф. „Динаміка наукових досліджень ’2004”. - Том 33. Екологія. – Дніпропетровськ: Наука і освіта. – 2004. - 21-30 червня. - С.44 - 45.

11. Леонидов В.И., Сидоров Г.И. Идентификация и оценка параметров конвективных слоев пограничного слоя атмосферы с помощью систем дистанционного акустического зондирования // Труды 10-й Юбилейной междунар. Конф. „Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Том 1.- Харьков – Туапсе.- 2004. - 28 сентября – 1 октября. - С.261 - 262.

12. Пат. 73397 G01І13/95 Україна, Семенець В.В., Сідоров Г.І. Леонідов В.И. Спосіб виміру вертикальної складової швидкості вітру за результатами акустичного зондування. кл. (19) (UA) (51) 7 опубл. 15.07.2005. Бюл. №7.

АНОТАЦІЯ

Леонідов В.І. Удосконалення комплексної системи радіоакустичного та акустичного зондування пограничного шару атмосфери. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом пограничного 05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення функціональної надійності системи радіоакустичного зондування пограничного шару атмосфери в умовах виникнення в ньому термодинамічних збурювань у вигляді термічних струменів або інверсій температури зі зрушенням вітру.

Позитивний ефект досягається за рахунок розробки і застосування методу апріорного синтезу реалізацій функції керування частотою випромінюваного радіосигналу системи РАЗ. Вихідними даними для синтезу є реалізації кусково-лінійних моделей профілю температури досліджуваного шару атмосфери. Вибір виду і параметрів моделей профілю температури здійснюється на основі розробленого методу формалізованого аналізу ехосигналів акустичного каналу системи РАЗ.

Результатом аналізу акустичних ехосигналів є ідентифікація типу поточного термодинамічного стану пограничного шару атмосфери, визначення висоти збуреного шару і періодів виникнення в АПШ спонтанних термодинамічних збурювань. Аналіз ехосигналів проводиться в режимі моніторингу з інтервалом часу від 1 до 10 хв.

Уведено поняття коефіцієнта ефективності підсумовування хвиль радіо-ехосигналів. Отримано функціональну залежність між похибкою прогнозування профілю температури і значеннями коефіцієнта ефективності підсумовування відбитих радіохвиль. На осоноіві цієї залежності розроблений метод корекції прогнозованого профілю температури за даними наступного циклу радіоакустичного зондування.

Удосконалені методи зондування та аналізу ехосигналів апробовані шляхом обробки реальних ехосигналів, отриманих за допомогою експериментального зразка діючого акустичного каналу системи РАЗ, який може бути використаний як самостійна система акустичного зондування.

Ключові слова: радіоакустична система, профіль радіо-ехосигналу, профілі температури, термодинамічні збурювання, умова хвильового узгодження, атмосфера, акустична система, параметризація вибірок акустичних ехосигналів, прогнозування.

АННОТАЦИЯ

Леонидов В.И. Усовершенствование комплексной системы радиоакустического и акустического зондирования пограничного слоя атмосферы. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 – радиотехнические и телевизионные системы. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена повышению функциональной надежности системы радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферного пограничного слоя (АПС) в условиях возникновения в нем термодинамических возмущений в виде термических струй или инверсий температуры со сдвигом ветра.

В диссертационной работе получено решение задачи измерения профилей температуры при зондировании термодинамических возмущений в АПС. Задача решена путем введения дополнительной операции управления частотой излучаемого радиосигнала на интервале времени, равном периоду повторения зондирующих импульсов, причем реализация функции управления частотой (ФУЧ) синтезируется априорно в результате решения ряда задач по приему, обработке и анализу эхосигналов акустического канала системы РАЗ. Такой подход увеличивает функциональную надежность системы РАЗ по функции извлечения информации о температуре АПС, которая используется для решения ряда задач физики атмосферы и синоптической метеорологии.

Повышение функциональной надежности достигается за счет разработки и применения метода априорного синтеза реализаций функции управления частотой излучаемого радиосигнала системы РАЗ. Исходными данными для синтеза функции управления частотой излучаемого радиосигнала являются априорные реализации кусочно-линейных моделей профиля температуры исследуемого слоя атмосферы. Выбор вида и параметров моделей профиля температуры осуществляется на основании разработанного метода формализованного анализа эхосигналов акустического канала системы РАЗ. Профиль среднеквадратичного отклонения мощности радио-эхосигнала, полученный по ансамблю реализаций