ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Сосновчик Дмитро Михайлович

УДК 621.37

УДОСКОНАЛЕННЯ РАДІОМЕТЕОРНИХ СИСТЕМ ВИВЧЕННЯ ДИНАМІКИ НИЖНЬОЇ ТЕРМОСФЕРИ ТА МЕТОДІВ ОБРОБКИ РАДІОМЕТЕОРНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі основ радіотехніки Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Олейніков Анатолій Миколайович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки.

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, професор Карташов Володимир Михайлович,
Харківський національний університет радіоелектроніки МОН України, завідувач кафедри радіоелектронних систем;–

кандидат фіз. – мат. наук, Лисенко Валерій Миколайович, Інститут
іоносфери НАН та МОН України, заступник директора з наукової роботи.

Провідна установа: Харківський національний аерокосмічний університет
ім. Жуковського „ХАІ”, кафедра проектування радіоелектронних систем літальних апаратів, МОН України, м. Харків.

Захист відбудеться 30.05.2007 р. о 15 г. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 64.052.03 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна 14, ауд. _____

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського

національного університету радіоелектроніки за адресою:

61166, м. Харків, просп. Леніна 14.

Автореферат розісланий 24.04.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

В даний час метод радіолокації метеорних слідів є найбільш широко використовуваним методом одержання регулярної інформації про динамічні процеси в нижній термосфері. Цей метод дозволив одержати основні здобутки про вітровий режим в області мезопаузи – нижньої термосфери (висоти 80-105 км) за допомогою наземних радіотехнічних систем – метеорних радіолокаційних станцій (МРЛС). Сучасна метеорна РЛС для дослідження динамічних параметрів атмосфери Землі – це складна радіотехнічна система, призначена для оцінки регулярних та нерегулярних складових вітрового режиму таких, як швидкість переважаючого вітру, амплітуди і фази приливних компонент, параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГХ) та ін. Тому при розробці МРЛС одночасно повинні вирішуватися задачі визначення координат відбиваючої області метеорного сліду та вимірювання радіальної складової швидкості дрейфу метеорних слідів, а також розроблятися спеціальні методики інтерпретації часових рядів радіальних швидкостей для оцінки параметрів динамічного режиму нижньої термосфери.

Актуальність дослідження динаміки нижньої термосфери з використанням МРЛС підтверджується багатьма чинними на сьогодні міжнародними програмами MLTCS/LTCS – Mesosphere and lower thermosphere coupling study (комплексне вивчення мезосфери та нижньої термосфери), STORM – Study specific ionospheric-thermospheric storm intervals (дослідження іоносферно-термосферних штормів) та геофізичним проектом “Міжнародний геліофізичний рік”, що стартував у 2007 році. Усі міжнародні геофізичні проекти потребують забезпечення їх сучасними радіотехнічними системами, включаючи і метеорні РЛС.

До недоліків сучасних МРЛС можна віднести: їхню високу вартість (ціна австралійської метеорної РЛС SKYiMET близько 100 тисяч доларів США), необхідність використання виділеної частоти та витрати на обслуговування. Враховуючи сказане вище, можна зробити висновок, що удосконалення МРЛС і методів інтерпретації радіометеорної інформації є актуальною проблемою, яка потребує вирішення.

Тому актуальною є тема дисертаційної роботи в якій вирішується питання створення більш простих та економічних систем радіомоніторингу з використанням вже існуючих радіосигналів різних радіослужб для дослідження динамічних процесів у нижній термосфері. Відносно дослідження метеорних слідів новим енергозберігаючим варіантом для проведення безперервних масштабних досліджень може бути використання рознесеної системи радіолокації метеорних слідів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

1. Дисертаційні дослідження були зв’язані з виконанням планових НДР Міністерства освіти та науки України, що виконувались у Харківському національному університеті радіоелектроніки: НДР №153 “Фундаментальні дослідження з удосконалення інформаційно-вимірювальних радіолокаційних систем і мереж”, розділ №153-6 “Теоретичні та експериментальні дослідження способів та методів дистанційного зондування об'єктів радіометодами” (№ДР 0103U001570, виконавець); НДР №199-4 “Розвиток теорії, удосконалення шляхів дослідження та розробка принципів побудови каналів розповсюдження радіохвиль: тропосферного, метеорного та прямого бачення” (№ДР 0106U003151, виконавець). Особисто здобувачем розроблено: методика визначення координат у рознесеній системі радіолокації метеорних слідів; зроблено розрахунок похибки визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду; удосконалено метод знаходження внутрішніх гравітаційних хвиль за радіометеорними даними; метод знаходження амплітудно-часової характеристики телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду.

2. Результати дисертаційних досліджень також були отримані здобувачем в рамках міжнародного наукового співробітництва ХНУРЕ з інститутом метеорології Лейпцигського університету за науковою програмою “Радіометеорні дослідження висотної структури внутрішніх гравітаційних хвиль”, виконаної відповідно до гранту Leonhard-Euler Німецької Академії Наук (DAAD) (жовтень 2003 – червень 2004) № А03/17567. Особисто здобувачем удосконалено метод обробки радіометеорних даних для одержання просторово-часових параметрів ВГХ; отримані розподіли основних параметрів ВГХ.

Мета роботи: модифікація методу метеорної радіолокації з використанням вже існуючих радіосигналів різних радіослужб і удосконалення їх цифрової обробки з метою дослідження динамічних процесів у нижній термосфері.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:–

теоретично обґрунтувати можливість використання методу рознесеної радіолокації за сигналами телевізійного мовлення з метою дослідження динамічних процесів в нижній термосфері;–

розробити метод визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду та радіальної швидкості дрейфу метеорного сліду в рознесеній системі радіолокації за сигналами телевізійного мовлення;–

розробити метод обробки телевізійного сигналу та алгоритм ідентифікації сигналу, відбитого від метеорного сліду;–

удосконалити метод виявлення внутрішніх гравітаційних хвиль за даними вимірювань метеорних РЛС, для одержання розподілів основних параметрів ВГХ із необхідною вірогідністю.

Об'єкт дослідження: процес радіолокації метеорних слідів.

Предмет дослідження: радіотехнічна система рознесеної радіолокації метеорних слідів з використанням сигналів телевізійного мовлення для дослідження динамічних процесів у нижній термосфері.

Методи дослідження: метод статистичних іспитів (метод Монте-Карло); елементи теорії математичного моделювання при визначенні рівня прийнятого сигналу згідно з відомими емпіричними розподілами параметрів метеорних часток; спектральний Фур'є-аналіз використовуваний для знаходження амплітудно-часової характеристики телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду; спектральний вейвлет-аналіз використовуваний для визначення параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль за радіометеорними даними.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Одержано подальший розвиток системи рознесеної радіолокації метеорних слідів з використанням сигналів телевізійного мовлення, а також метод визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду у рознесеній системі радіолокації при використанні телевізійних сигналів [4].

2. Вперше розроблено метод знаходження амплітудно-часової характеристики телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду, що враховує особливості телевізійного сигналу. Експериментально отримано амплітудно-часові характеристики телевізійних сигналів, відбитих від метеорних слідів, розподіли тривалості та добові варіації чисельності метеорних відбиттів [5].

3. Удосконалено методику обробки часових рядів доплерівського зсуву частоти сигналів, відбитих від метеорних слідів для отримання просторово-часових параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль. Методика враховує особливості внутрішніх гравітаційних хвиль при проведенні вейвлет-аналізу. Вперше отримано статистично забезпечені гістограми розподілу параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль за радіометеорними даними [1-3,6].

Практичне значення отриманих результатів:–

рознесена система радіолокації метеорних слідів може дозволити створити мережу економічних метеорних РЛС для дослідження динамічних параметрів нижньої термосфери, що є об'єктом уваги багатьох міжнародних геофізичних програм;–

емпіричні дані розподілів параметрів ВГХ, отримані за даними вимірювань метеорних РЛС, необхідні для розробки моделей циркуляції атмосфери Землі в області мезопаузи та нижньої термосфери;–

результати дисертаційної роботи були використані у НДР №153-6 та НДР №199-4, а також при виконанні гранту Leonhard-Euler Німецької Академії Наук (DAAD), про що є відповідні акти впровадження.

Особистий внесок здобувача у публікаціях:–

у розробці методики визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду у рознесеній системі радіолокації при роботі за телевізійними сигналами [4,14];–

у проведенні аналізу можливих способів визначення швидкості дрейфу метеорних слідів за телевізійними сигналами [8,10-12];–

у проведенні математичного моделювання та визначенні рівня приймаємого сигналу у рознесеній системі радіолокації при роботі за телевізійними сигналами [7];–

у розробці методики знаходження амплітудно-часової характеристики телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду [5,15,17];–

в удосконаленні метода знаходження параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль з використанням вейвлет-аналізу за радіометеорними даними [1-3,6,9,13];–

в одержанні основних розподілів параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль за радіометеорними даними [1-3,6,9,13];

Апробація результатів дисертаційної роботи

Основні результати роботи, викладені в дисертації, доповідалися та обговорювалися на 11 конференціях: 10-й Ювілейній міжнародній науковій конференції “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації” (Харків/Туапсе, 2004), 8-ому і 9-ому міжнародних молодіжних форумах “Радіоелектроніка і молодь у ХХ столітті” (Харків 2004, 2005), Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих учених “Молодь і сучасні проблеми радіотехніки РТ-2005” (Севастополь, 2005), 2-ому Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку. МРФ-2005” (Харків, 2005), Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії” (Львів, 2006), 16-й Міжнародній Кримській конференції “СВЧ-техника і телекомунікаційні технології” (Севастополь, 2006), 1-й Міжнародній науковій конференції “Глобальні інформаційні системи. Проблеми і тенденції розвитку” (Харків, 2006).

Публікації

Основні результати досліджень висвітлені у 7 статтях, опублікованих у періодичних журналах і збірниках, що входять до переліку ВАК України та іноземних видань.

Структура й обсяг дисертаційної роботи

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 80 найменувань (8 с.). Загальний обсяг дисертації 148 сторінок, з них основного тексту – 128 сторінок, ілюстрованих 71 малюнками (3 с. без тексту) і 4 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, наукова новизна роботи та практичне значення отриманих результатів. Представлено дані про апробацію результатів роботи та їх впровадження.

Перший розділ дисертаційної роботи складається з чотирьох підрозділів, у яких розглянуто методи дослідження динамічних процесів у нижній термосфері наземними радіотехнічними засобами. Описано методи вимірювання швидкості вітру в нижній термосфері: за дрейфом іоносферних неоднорідностей (метод D1); за допомогою радіолокації метеорних слідів (метод D2); методом некогерентного розсіювання.

Проведено огляд існуючих радіометеорних станцій, що використовувались при дослідженні динамічних процесів у нижній термосфері: станція “ВЕТА”, автоматичний кутомір метеорної РЛС (АК МРЛС) і сучасна метеорна радіолокаційна станція SKYiMET.

Описано методи виявлення динамічних процесів у нижній термосфері за результатами вимірювань радіотехнічних систем. Представлені ймовірностні методи спостереження для оцінки правдивого вектора швидкості. Описано методику виявлення внутрішніх гравітаційних хвиль за радіометеорними даними.

Було проведено якісне порівняння описаних методів одержання інформації про динамічні процеси в нижній термосфері. У результаті порівняння їх достоїнств і недоліків зроблено висновок, що новим рішенням (енергозберігаючим та простим у користуванні) при дослідженні динамічних процесів у нижній термосфері може бути застосування рознесеного методу радіолокації метеорних слідів, де замість сигналів власного передавача використовуються сигнали вже існуючих телевізійних та радіомовних станцій діапазону 30-80 МГц. У рознесеній системі радіолокації приймач і передавач рознесені у просторі на відстань у сотні кілометрів.

У роботі були поставлені наступні завдання:–

виконати аналіз доступного радіочастотного ресурсу в діапазоні 30-80 МГц та обрати сигнали, що можуть бути використані для рознесеної системи метеорної радіолокації;–

оцінити можливі способи вимірювання швидкості дрейфу метеорного сліду і розробити методику вимірювання швидкості дрейфу в рознесеній системі радіолокації при використанні сигналів придатних для метеорної локації;–

розробити методику вимірювання висоти відбиваючої області метеорного сліду у рознесеній системі радіолокації;–

провести дослідження, що підтверджують розрахунки і виявити найбільш прийнятні місця розташування пунктів спостереження в рознесеній системі радіолокації;–

удосконалити методику виявлення параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль за радіометеорними даними.

В другому розділі дисертаційної роботи проводиться аналіз доступних радіочастотних ресурсів у діапазоні частот 30-80 МГц, використання яких дозволить реалізувати систему рознесеної метеорної радіолокації. Сформульовано основні вимоги що до використовуємого сигналу: велика випромінювана потужність сигналу (десятки кВт), цілодобовий режим роботи, а також структура сигналу, що дозволила б одержувати інформацію про просторові координати і швидкість дрейфу метеорного сліду. Максимально пред'явленим вимогам задовольняють телевізійні сигнали 1-го, 2-го, 3-го метрових каналів.

Проводиться аналіз можливих способів вимірювання швидкості дрейфу відбиваючої області метеорного сліду у рознесеній системі радіолокації, при використанні телевізійних сигналів.

Розглянута можливість одержання горизонтальної швидкості дрейфу аналогічно методу подібних завмирань (метод D1). Однак при цьому виникають обмеження. Метод може бути використаний тільки для тривалих метеорних слідів або у випадку великої швидкості дрейфу метеорних слідів.

Рис.1 Варіанти рознесеної системи радіолокації

Аналізуються різні варіанти визначення радіальної складової швидкості дрейфу метеорного сліду в рознесеній системі радіолокації. Для чого були розглянуті рознесена система радіолокації при поширенні сигналу “уперед” і “назад” (рис.1).

У рознесеній системі радіолокації при поширенні “уперед” мають місце два однократних ефекти Доплера з протилежними знаками. Доплерівська частота у такому випадку визначається відповідно до виразу:

,

де и – проекції вектора швидкості відбивача на напрямок візування з боку передавача і приймача відповідно.

Рис. 2 Загальний випадок визначення

радіальної складової швидкості вітру

У рознесеній системі радіолокації при поширенні сигналу “назад” виникаючі частотні зсуви, внаслідок ефекту Доплера, додаються з коефіцієнтом , що враховує взаємне розташування приймача R, передавача T та дзеркальної точки відбиття метеорного сліду M (рис. 3)

,

де – частота Доплера в напрямку до приймача; – частота Доплера в напрямку до передавача; – коефіцієнт, що враховує взаємне розташування приймача R, передавача T і дзеркальної точки відбиття метеорного сліду M.

Для обох варіантів рознесеної системи радіолокації радіальна складова швидкості дрейфу метеорного сліду залежить від взаємного розташування приймача, передавача та точки відбиття. У випадку поширення сигналу “уперед” такі вимірювання не дають достовірних оцінок швидкості вітру. При поширенні сигналу “назад” вноситься незначна додаткова погрішність, середня величина якої не перевищує 10%.

Рис. 3 Формування радіальної складової швидкості вітру у рознесеній системі

радіолокації при розповсюдженні

сигналу “назад”

Також у другому розділі розробляється методика вимірювання просторових координат відбиваючої області метеорного сліду у рознесеній системі радіолокації. Для дослідження просторової структури динамічних процесів атмосфери окрім інформації про швидкість дрейфу метеорного сліду, необхідна інформація про кутові координати та висоту дзеркальної точки відбиття метеорного сліду.

Для визначення кутових координат у роботі запропоновано використовувати фазовий метод. Це виявляється можливим, тому що передача телевізійного сигналу зображення відбувається з використанням амплітудної модуляції. Подібна методика використовується на багатьох радіометеорних станціях.

Для визначення відстані до відбиваючої області метеорного сліду запропоновано методику, що використовує еталонні сигнали часу (ЕСЧ), для визначення часу поширення сигналу від передавача до приймача (рис. 4). Що в сукупності з відомими кутовими координатами дозволяє знайти висоту відбиваючої області метеорного сліду. Необхідною умовою роботи системи визначення часу поширення сигналу, відбитого через метеорний слід. Це виявляється можливим унаслідок того, що сигнал ЕСЧ синхронізований з мітками шкали всесвітнього координованого часу UTC. У цьому випадку, використовуючи навігаційні системи (GPS, ГЛОНАСС), можна синхронізувати власний високостабільний синхрогенератор, що може використовуватись у якості опорного генератора для відновлення моменту випромінювання ЕСЧ у приймальному пункті. Визначаючи час затримки між первинним сигналом ЕСЧ і прийнятими через метеорний канал, знаходимо час поширення сигналу.

Рис. 4 Форма еталонних сигналів частоти та часу в інтервалі шостого рядка

Погрішність визначення часу поширення сигналу містить у собі погрішність сполучення сигналу ЕСЧ із мітками шкали UTC і погрішність визначення часового положення характерної точки ЕСЧ на прийомному кінці, що складає величину менш 1,3 мкс, при співвідношенні сигнал/шум більше 4.

Для знаходження похилої дальності до метеорного сліду (рис.5) необхідні наступні дані: координати точки випромінювання , кут місця та азимут приходу фронту хвилі відбитої від метеорного сліду (т. ) у приймальний пункт і значення сумарної похилої дальності , що визначається відповідно до загального часу поширення сигналу від передавача до приймача. У цьому випадку похила дальність визначається виразом:

. (1)

Для обраної системи координат (рис.5) вираз (1) спрощується, тому що координати

. (2)

а) |

б)

Рис. 5 Траєкторії розповсюдження сигналу
(а – розповсюдження “уперед”, б – розповсюдження “назад”)

Визначивши значення похилої дальності до метеорного сліду, висота відбиття з урахуванням кривизни Землі визначається виразом:

, (3)

де – радіус Землі (6340 км); – похила дальність до метеорного сліду (2); – кут місця метеорного сліду.

На рис.6 наведено поверхні погрішностей визначення висоти при фіксованих значеннях погрішностей визначення кутових координат і часу поширення сигналу, які при розрахунках були прийняті рівними 17 кутових хвилин та 1,3 мкс відповідно.

а) |

б)

Рис. 6 Поверхні погрішностей визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду (а–розповсюдження “уперед”, б – розповсюдження “назад”)

За нормальним законом розподілу погрішностей виміру кутових координат () і часу поширення сигналу () середня погрішність визначення висоти не перевищує 2,2 км.

В другому розділі також розглянуто способи вимірювання радіальної складової швидкості метеорних слідів у рознесеній системі радіолокації.

При використанні в рознесеній радіолокації ТВ-сигналів виникає складність виділення частоти Доплера. Це викликано тим, що нормативні документи, що описують параметри і характеристики телевізійного сигналу, не накладають дуже жорстких вимог на точність встановлення несучої частоти зображення і її стабільність. Тобто, фактично, ми не знаємо випромінювану передавачем частоту, без апріорної інформації про яку неможливо визначити величину частоти Доплера, що виникає в наслідок відбиття від метеорного сліду. У результаті безпосереднє використання несучої частоти зображення для вимірювання швидкості дрейфу метеорного сліду за доплерівським зсувом частоти неможливо.

У роботі розглянутий варіант вимірювання швидкості дрейфу при використанні еталонних сигналів частоти, що розташовані в 6-му рядку телевізійного сигналу (рис.4). Відносна погрішність еталонного сигналу частоти 1 МГц, переданого в складі телевізійного сигналу, не гірше 10-11. Якщо взяти до уваги той факт, що при відбитті від об'єкта, що рухається, різні спектральні складові сигналу отримують різний частотний зсув, то обчисливши взаємний зсув спектральних ліній у спектрі ТВ-сигналу, ми маємо можливість оцінити радіальну швидкість метеорного сліду. Для цього зручно вибрати зсув між несучою частотою зображення і положенням еталонного сигналу частоти. Спочатку різниця між ними складає 1 МГц, а на прийомному кінці ця різниця буде відрізнятися на частоту, пропорційну швидкості дрейфу метеорного сліду. При цьому також виключається вплив нестабільності несучої частоти зображення та неточність її встановлення. Радіальна швидкість у цьому випадку буде визначатися виразом: , де – еталонна частота 1 МГц; – швидкість світла у вакуумі; – різниця частот між еталонним сигналом частоти та несучою зображення після відбиття від метеорного сліду. Проведені розрахунки довели, що даний метод вимірювання радіальної швидкості має обмеження. Для тривалості метеорного відбиття 0,2 секунди і відношення сигнал/завада=5 можливо вимірювати швидкості дрейфу, яка перевищує величину 150-160 м/с.

Виходом з такої ситуації може бути обладнання передавального телецентру опорним генератором несучої частоти зображення з малою відносною нестабільністю. У цьому випадку отримуємо можливість визначати значення частоти Доплера відбитого сигналу безпосередньо за значенням несучої частоти зображення телевізійного сигналу. Якщо взяти за основу частоту першого метрового каналу, нестабільність опорного генератора повинна бути не гірше 10-8, очікувана погрішність вимірювання швидкості не буде перевищувати 2-3 м/с.

Третій розділ дисертаційної роботи складається з двох підрозділів.

У першому підрозділі виконано оцінку рівня електромагнітного поля в рознесеній системі метеорної радіолокації на основі математичної моделі розсіювання електромагнітних хвиль від метеорних слідів, а також аналізується рівень ймовірних перешкод у рознесеній системі радіолокації.

Загальний вираз для максимальної потужності сигналу, розсіяного ненасиченим метеорним слідом при поширенні “назад”, має вигляд:

, (4)

де

, , .

Тут і – коефіцієнти підсилення антен (за потужністю) пунктів прийому (R) і передачі (T); – заряд електрона; – маса електрона; – швидкість світла; – довжина хвилі; – потужність передавача; – лінійна електронна щільність метеорного сліду; – відстань до точки дзеркального відбиття; – швидкість метеорної частки; – початковий радіус метеорного сліду для дзеркальної точки; – коефіцієнт амбіполярної дифузії для дзеркальної точки. Замість потужності прийнятого сигналу використовувалося значення напруги на вході приймача: , де – опір антени. При моделюванні використовувалися закони розподілу параметрів метеорних слідів по: масі (Лебединець, Волощук, Белькович), швидкості і висоті випаровування (Волощук, Кащеєв) (рис.7 а,б,в). Інші параметри при розрахунку були фіксованими і складали: , , , , . Довжина вибірки 10000 значень. Розподіл рівнів сигналу на вході приймача при поширенні “назад” представлений на рис. 7д.

Середній рівень сигналу, при поширенні “назад”, складає близько 1,1 дБмкВ, при 0 дБкВт випромінюваній потужності.

Вірогідність виявлення метеорних відбиттів залежить не тільки від рівня прийнятого сигналу, але і від рівня зовнішніх завад. У запропонованій системі рознесеної радіолокації можна виділити наступні види завад та шумів, що роблять вплив на результуюче співвідношення сигнал/завада: атмосферні шуми; шуми космічного походження; перешкоди на робочій частоті ТВ-каналу.

Рівень шумів атмосферного і космічного походження, в основному, визначається ефективною шумовою температурою і смугою пропускання приймального тракту. Потужність шуму на вході приймача (для цього роду шумів) визначається виразом , де – ефективна температура шуму, віднесена до входу приймача; – смуга пропущення приймача. Для метрового діапазону хвиль ефективна температура шуму залежить від робочої довжини хвилі . Для смуги ТВ-сигналу в 6–6,5 МГц, значення атмосферних шумів складає не більш, ніж 1,2 мкВ.

Найбільш істотними будуть перешкоди від ТВ-передавачів, що працюють на використовуваній нами довжині хвилі. Це можуть бути сигнали близько розташованих передавачів, сигнали конвертерів ТВ-програм, прийом ТВ-сигналу від далеких станцій за рахунок тропосферного поширення радіохвиль.

Вхідними даними при розрахунку рівня перешкоджаючих сигналів на робочій частоті ТВ-передавача є: відстань до джерела; потужність ТВ-передавача; ефективна висота передавальної антени; частота ТВ-передавача; рельєф місцевості. У роботі були використані дані для 1-го метрового каналу; потужність передавача 1 кВт (0 дБкВт); ефективна висота підвісу антени – 350 м; рельєф місцевості – горбкувата, зі ступенем нерівності ?h = 150 м.

а) | б)

в) | г)

Рис. 7 Розподіли метеорів за швидкістю (а), масою (б), висотою випаровування (в) та розподіл рівня прийнятого сигналу (г)

Для середнього рівня прийнятого сигналу 1,1 дБмкВ, робоче співвідношення сигнал / перешкода більш 4, буде при віддаленні не менше 220 км.

Рис. 8 Залежність рівня “заважаючого” ТВ-сигналу на вході приймача в залежності від відстані

Для підтвердження можливості прийому сигналів у рознесеній системі радіолокації були проведені експериментальні спостереження на трасі Москва-Харків. Для ідентифікації отриманих метеорних відображень у роботі була розроблена методика одержання амплітудно-часової характеристики по телевізійному сигналі, що використовує особливості його структури. ТВ-сигнал являє собою набір з випадкових та детермінованих сигналів. Для одержання АВХ придатні до використання лише детерміновані сигнали. Найкращими вибором для цього є рядкові синхроімпульси, що мають частоту повторення 15 625 Гц. Сутність методики одержання АВХ із прийнятого сигналу полягає в наступному. При тому, що рядкові синхроімпульси (РСІ) є періодичним сигналом з частотою повторення 15 625 гц, природним є мати місце в спектрі сигналу гармонікам даної частоти. Відбиття ТВ-сигналу від метеорного сліду можна розглянути як амплітудну модуляцію повільно-мінливим сигналом (відповідно до періоду повторення рядкових синхроімпульсів). У цьому випадку спектр ТВ-сигналу теж можна вважати амплитудно-модульованим. У результаті, якщо знайти амплітуду гармоніки частоти повторення РСІ, то можна одержати амплитудно-часову характеристику сигналу відбитого від метеорного сліду (рис.9). Обробка проводилася в цифровій формі з використанням алгоритму швидкого перетворення Фур'є.

Рис. 9 Метеорні відбиття, отримані у рознесеній системі радіолокації

(верхній рисунок – сигнал на вході звукової карти компьютера, середній рисунок – АВХ сигналу, нижній рисунок – варіація фази)

Рис. 10 Розподіл тривалостей
метеорних відбиттів

У результаті декількох циклів цілодобових спостережень було знайдено розподіл тривалостей метеорних відбиттів, що збігається з раніше отриманими результатами (рис.10). Також була отримана залежність кількості метеорних відображень за годину, протягом доби.

У четвертому розділі дисертаційної роботи удосконалюється цифрова обробка радіометеорной інформації для виявлення внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГХ) і визначення їх параметрів.

Кінцевим результатом роботи метеорної станції є отримання інформації про динамічні процеси у атмосфері. Це являє собою обробку отриманих часових рядів швидкості вітру, де застосовуються усі відомі методи цифрової обробки сигналів. Обробка часових рядів швидкості вітру при аналізу динамічних процесів повинна враховувати особливості хвильових процесів, що виявляються. Зокрема в даній роботі проводилося виявлення внутрішніх гравітаційних хвиль в області нижньої термосфери.

До внутрішніх гравітаційних хвиль відносять атмосферні хвильові процеси з періодами від 5,5 хвилин до декількох годин. Тривалість коливального процесу може складати від 1 до декількох періодів хвилі. Складність виявлення ВГХ полягає в тім, що ці хвильові процеси є випадковими, без апріорної інформації про момент появи, тривалість хвильового процесу, про період коливання, просторове розташування.

Раніше при виявленні ВГХ використовувалося віконне перетворення Фур'є, яке є не зовсім коректним. Як вже було сказано, внутрішні гравітаційні хвилі мають різний період і тривалість. Крім цього, при поширенні в атмосфері їх параметри можуть змінюватися. У роботі запропонована модель внутрішніх гравітаційних хвиль (рис. 11), що враховує особливості поширення хвилі в атмосфері Землі. На початку формування хвилі її амплітуда зростає, досягаючи піка, після чого спостерігається зменшення амплітуди хвилі і її зникнення.

Рис. 11 Теоретично-емпірична
модель ВГХ

Виявлення ВГХ має на увазі визначення наступних параметрів хвилі: час появи хвилі, частота хвилі, час існування хвилі, горизонтальна і вертикальна довжини хвилі, фазова швидкість поширення хвилі і напрямки переносу енергії хвилі.

У розробленому алгоритмі ідентифікації ВГХ були використані: –

вейвлет аналіз – який дозволив істотно поліпшити локалізацію ВГХ, як за часом, так і по частоті, незалежно від частоти і тривалості виникаючого коливання, при цьому використовувалися базові вейвлет функцій близькі до моделі ВГХ – комплексний вейвлет Гауса і вейвлет Морлета.–

робастний метод найменших квадратів (РМНК) – використання цього методу апроксимації дозволило підвищити вірогідність лінеаризації фазових залежностей, викликану випадковими викидами фаз, і зменшити погрішність визначення довжини хвилі.

У розділі проведений порівняльний аналіз ефективності методів виявлення ВГХ із використанням вейвлет-аналізу і Фур'є-перетворення. Порівняльний аналіз приведеного алгоритму ідентифікації ВГХ із використанням вейвлет-функцій і звичайного Фур'є-аналізу на моделі показав:–

вейвлет-перетворення дозволяє істотно точніше фіксувати час максимуму ВГХ, що надалі дає можливість визначити час існування хвилі – момент її виникнення та розпаду;–

використання вейвлет-перетворення і РМНК-алгоритму апроксимації лінійних залежностей дозволяє зменшити погрішність визначення горизонтальної і вертикальної довжини ВГХ;–

відсутній істотний вплив довгоперіодичних коливань і трендів на загальний вигляд вейвлет-спектра;–

на вейвлет-спектрі видні всі поточні зміни періоду ВГХ у часі, якщо такі присутні.

У розділі 4 наведено результати експериментальних досліджень параметрів ВГХ за радіометеорними даними.

Представлений вище алгоритм був використаний для обробки радіометеорних даних, отриманих протягом дворічної компанії липня-серпня 1998 і 1999 року, під час виконання програми INTAS 96-1669 Experimental and theoretical investigation of tide modulation by planetary waves на устаткуванні АК МРЛС. Використовуючи дані цих 124 діб спостережень, було виявлено близько 1300 гравітаційних хвиль і визначені їх просторово-часові характеристики.

Вперше отримано статистично забезпечений розподіл вертикальних довжин хвиль і отримана інформація про переважний напрямок переносу енергії ВГХ за радіометеорними даними. Отримано розподіл горизонтальних довжин хвиль, періодів внутрішніх гравітаційних хвиль і знайдена залежність появи ВГХ протягом доби (рис.12 – 13). Для зручності подання на рис.12 позитивні значення довжини хвилі відповідають розповсюдженні енергії вгору, а негативні – униз

Рис.12 Розподіл вертикальних довжин хвиль ВГХ | Рис.13 Розподіл власного
періоду ВГХ

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, що полягає в модифікації методу метеорної радіолокації з використанням сигналів телевізійного мовлення та удосконаленні цифрової обробки радіометеорної інформації, що дає можливість створення більш простих та економічних систем радіомоніторингу для дослідження динамічних процесів у нижній термосфері. При вирішенні даної задачі отримані наступні результати:

1. Проаналізовано можливі способи вимірювання швидкості дрейфу в рознесеній системі радіолокації з використанням ТВ-сигналів та показано, що вимірювання радіальної складової швидкості дрейфу метеорного сліду можливо тільки за варіантом поширення сигналу “назад”. Досліджено вплив взаємного розташування приймача, передавача, точки дзеркального відбиття і напрямку вектора швидкості на погрішність визначення радіальної швидкості дрейфу в рознесеній системі радіолокації при поширенні сигналу “назад”. Розраховано, що середня величина погрішності взаємного розташування складає 4%, максимальне значення не перевищує
16,6 %.

2. Розроблено метод визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду у рознесеній системі радіолокації з використанням особливостей структури телевізійного сигналу. Зроблено розрахунок погрішності визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду. Середня погрішність визначення висоти, при нормальному розподілі погрішностей вимірювання кутових координат і часу поширення сигналу, не перевищує 2,2 км, а область мінімальної погрішності визначення висоти метеорних відбиттів знаходиться в радіусі 450 км від точки прийому.

3. Проведено математичне моделювання відбиття від метеорного сліду на основі емпіричних розподілів параметрів метеорів і визначені передбачувані рівні прийнятого сигналу. При потужності ТВ-передавача в 1кВт (0 дБкВт), середнє значення прийнятого сигналу складає 1,1 дБмкВ. У рознесеній системі радіолокації при поширенні сигналу “назад” результуюче відношення сигнал/перешкода, для зазначеної потужності ТВ-передавача та середньому рівні прийнятого сигналу, перевищує значення 4 при відстані між приймачем та передавачем не менш 250 км.

4. Розроблено метод знаходження амплітудно-часових характеристик телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду. У результаті експериментальних спостережень у рознесеній системі радіолокації за телевізійними сигналами на трасі Харків – Москва знайдено розподіл тривалостей метеорних відображень і побудована залежність кількості метеорних відбиттів протягом доби з використанням телевізійних сигналів, що чітко відображає добовий хід кількості метеорних відбиттів.

5. Удосконалено метод виявлення ВГХ за радіометеорними даними на базі вейвлет-аналізу, що використовує особливості моделі ВГХ при виборі базисних вейвлет-функцій. Підвищено вірогідність лінеаризації фазових залежностей при визначенні параметрів ВГХ. Вперше отримано статистично забезпечені розподіли основних параметрів ВГХ, включаючи вертикальну структуру ВГХ і знайдено співвідношення між напрямками поширення енергії ВГХ.

6. Результати дисертаційної роботи були використані у НДР №153-6 та НДР №199-4, а також при виконанні гранту Leonhard-Euler Німецької Академії Наук (DAAD), про що є відповідні акти впровадження.

ОСНОВНІ ПРАЦІ, ОПУБЛИКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИССЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Oleynikov A.N., Jacobi Ch., Sosnovchik D.M. Time-spatial parameters of internal gravity waves in the mesosphere-lower thermosphere region derived from meteor radar wind measurement / Wiss. Mitt. Inst. fur Meteorol. Univ. Leipzig. – №36. – С. 125-134.

2. Олейников А.Н., Якоби К., Сосновчик Д.М. Радиометеорные исследования распределений пространственно-временных параметров ВГВ // Радиотехника. – 2005. – № 140 – С.45-51.

3. Oleynikov A.N., Jacobi Ch. and Sosnovchik D.M. Parameters of internal gravity waves in the mesosphere-lower thermosphere region derived from meteor radar wind measurements // Ann. Geophysicae. – 2005. – Vol. 23. – P. 1-7.

4. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М. Определение высоты отражающей области метеорного следа при использовании телевизионного сигнала в разнесенной системе радиолокации // Радиотехника.– 2005. – №143. – С.201-208.

5. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М., Шкарлет А.И. Использование сигналов телевизионного вещания для исследования вариаций коэффициента заполнения метеорного канала связи // Вестник Государственного университета информационно-коммуникационных технологий, 2006 – Т.4, №3. – 143-149.

6. Олейников А.Н., Олейников В.Н., Лизогуб В.В, Жуков В.В., Сосновчик Д.М., Шкарлет А.И. Радиометеорные исследования динамики атмосферы в Харькове // Радиотехника. – 2006. – №146. – С.24-43.

7. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М. Имитационное моделирование условий приема ТВ сигнала в разнесенной системе метеорной радиолокации для исследования динамики атмосферы // Радиотехника. – 2006. – № 147. С.xx-xx

8. Сосновчик Д.М., Олейников А.Н. Определение скорости ветра в нижней термосфере по пассивной радиолокации метеорных следов // 8-й международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”: Сб. материалов форума.– Харьков: ХНУРЭ, 2004. – Ч.1. – 365 с.

9. Сосновчик Д.М., Олейников А.Н. Совершенствование методики выявления параметров внутренних гравитационных волн методом радиолокации метеорных следов // 10-я Юбилейная международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. Сб. тезисов докладов. – Харьков: ХНУРЭ, 2004. – Ч.1. –– 373 с.

10. Сосновчик Д.М., Олейников А.Н. Исследование динамических параметров мезопаузы-нижней термосферы методом пассивной радиолокации // 10-я Юбилейная международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. Сб. тезисов докладов. – Харьков: ХНУРЭ, 2004. – Ч.1. –– 373 с.

11. Сосновчик Д.М., Олейников А.Н. Совершенствование радиометеорных методов измерения динамических параметров верхней атмосферы // 9-й международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”: Сб. материалов форума.– Харьков: ХНУРЭ, 2005. – 629 с.

12. Cосновчик Д.М. Анализ возможности использования ТВ сигналов для определения скорости дрейфа метеорных следов // Материалы междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых “Молодежь и современные проблемы радиотехники РТ-2005”.– Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2005. – 120 с.

13. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М. Исследование распределений пространственно-временных параметров ВГВ методом радиолокации метеорных следов // 2-й Международный радиоэлектронный Форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2005. Сборник научных трудов. Том I. Пленарные заседания Форума, семинары и круглые столы. – Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. 2005. – 275 с.

14. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М. Определение координат отражающей области метеорного следа разнесенной системой радиолокации // 2-й Международный радиоэлектронный Форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2005. Сборник научных трудов. Том II. Пленарные заседания Форума, семинары и круглые столы. – Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. 2005. – 275 с.

15. Oleynikov A.N., Sosnovchik D.M. Research of Amplitude – Time Characteristic of Television Signal Reflected From a Meteoric Trail in Spased Radar System // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science: Proceedings of the international conference TCSET’2006. – Lviv, 2006 – P.291–293

16. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М. Измерение динамических параметров мезопаузы – нижней термосферы с использованием доступного радиочастотного ресурса // 16-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо’2006): Материалы конф. — Севастополь: Вебер, 2006. — 1047 с.: ил.

17. Олейников А.Н., Сосновчик Д.М., Лыков Ю. В. Исследование притока метеорного вещества с использованием системы разнесенной радиолокации // 1-я Международная научная конференция “Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития”. Сб. матер. конф. – Харьков: ХНУРЭ, 2006. – 549 с.

18. Oleynikov A.N., Sosnovchik D.M., Kukush V.D., Jacobi Ch., Frohlich K. and Kurschner D. Seasonal variation of space –time parameters of internal gravity waves over Kharkiv (49030?N, 36051?E) (Poster session) // 3rd IAGA/ICMA Workshop - Vertical Coupling in the Atmosphere/Ionosphere System. – Varna, Bulgaria, 2006.

АНОТАЦІЯ

Сосновчик Д.М. Удосконалення радіометеорних систем вивчення динаміки нижньої термосфери і методів обробки радіометеорної інформації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2007.

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, що полягає в модифікації методу метеорної радіолокації з використанням сигналів телевізійного мовлення та удосконаленні цифрової обробки радіометеорної інформації, що дає можливість створення більш простих та економічних систем радіомоніторингу для дослідження динамічних процесів у нижній термосфері.

У роботі наведена можливість створення рознесеної системи радіолокації метеорних слідів з використанням телевізійних сигналів з метою дослідження динамічних параметрів атмосфери на висотах 80-100 км. Розглянуто особливості вимірювання швидкості дрейфу метеорного сліду в рознесеній системі радіолокації, а також запропоновано методи вимірювання радіальної складової швидкості вітру при використанні телевізійних сигналів. Розроблено метод визначення висоти відбиваючої області метеорного сліду при використанні телевізійних сигналів у рознесеній системі радіолокації, а також метод отримання амплітудно-часової характеристики сигналу, відбитого від метеорного сліду. Наведено результати експериментальних спостережень на трасі Харків – Москва у рознесеній системі радіолокації. Удосконалено методику цифрової обробки радіометеорної інформації для виявлення внутрішніх гравітаційних хвиль (ВГХ) та визначення їх параметрів. Уперше отримано статистично забезпечені розподілення основних параметрів внутрішніх гравітаційних хвиль, включаючи вертикальну структуру ВГХ. Знайдено вірогідне співвідношення між напрямками поширення енергії ВГХ в атмосфері Землі.

Ключові слова: цифрова обробка сигналів, радіометеорна станція, вейвлет-аналіз, метеорний слід, амплітудно-часова характеристика відбитого сигналу, радіальна швидкість.

АННОТАЦИЯ

Сосновчик Д.М. Совершенствование радиометеорных систем изучения динамики нижней термосферы и методов обработки радиометеорной информации.

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

В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача, которая заключается в модификации метода метеорной радиолокации с использованием сигналов телевизионного вещания и совершенствовании цифровой обработки радиометеорной информации, что дает возможность создания более простых и экономичных систем радиомониторинга для исследования динамических процессов в нижней термосфере.

В работе проведен анализ возможных способов измерения скорости дрейфа метеорного следа в разнесенной системе радиолокации при распространении сигнала “вперед” и “назад” с использованием телевизионных (ТВ) сигналов. Исследовано влияние взаимного расположения приемника, передатчика, точки зеркального отражения и направления вектора скорости на погрешность определения радиальной скорости дрейфа в разнесенной системе радиолокации при распространении сигнала “назад”. Установлено, что средняя величина этой погрешности составляет 4%, максимальное