автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка корреляционно-доплеровского метода и радиолокационного комплекса для дистанционного контроля ветра

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕ!II1АЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И

ИНФОРМАТИКИ I

\

РАЗРАБОТКА КОРРЕЛЯЦ1ЮН1Ю-ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА И РАДИОЛ0КАЩ1011НОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ Д1 ICTAl IUI I0H1ЮГО КОНТРОЛЯ

ВЕТРА

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной срсаы, веществ, материалов и изделий.

УДК.551.501.8

Лобанов Денис Валерьевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 1998 г

Работа выполнена в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Стерлядкин В.В. Официальные оппоненты:

профессор, доктор физико-математических наук К.С. Станкевич доцент, кандидат технических наук А.В. Старых

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита состоится "2"и* 1998г. в ¿0— часов на заседании

специализированного совета С639303в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, г.Москва, Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики.

Автореферат разослан "30" д^и^Х 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета МГАПИ

Ю.А.Богданова

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

Вопросы дистанционного контроля поля ветра в атмосфере до настоящего времени являются важной задачей метеорологии. Сведения о ветре имеют большое значение для выдачи долгосрочных прогнозов, а оперативное к точное получение такой информации зачастую сказывается на своевременном принятии решений в различных областях человеческой деятельности, начиная от стартов космических аппаратов, до решения проблем сельского хозяйства. Дистанционный контроль поля ветра важен не только при решении практических, но и для исследовательских задач, например, изучения строения атмосферы и протекающих в ней процессов .

До последнего времени традиционно измерения поля ветра в атмосфере осуществлялись с помощью тар-зондов (с передатчиками или уголковыми отражателями), которые по мере подъема увлекаются потоком ветра. Погрешности и недостатки такого метода очевидны: одно измерение длится 1.5-2 часа (более 30 минут на каждые 10 км высоты) и производится лить по траектории полета шара, проведение замера требует немалой подготовительной работы. измерительный комплекс громоздок.

Использование акустических методов зондирования ограничено: почти невозможно их использование на аэродромах и в осадках, при высоких уровнях акустических помех, а также при сильном и ураганном ветре.

Известные методы радиолокационного (РЛ) ветрового зондирования, основанные на применении нмпульсно-когерентной локации имеют свои ограничения по длине волны, разрешению по дальности и скорости .

В связи с этим чрезвычайно велико значение разработки радиолокационных методов дистанционного контроля поля ветра, не имеющих перечисленных ограничений.

Разработке, исследованию и практической апробации таких методов посвящается настоящая диссертационная работа. Это и определяет ее актуальность.

1.2. Состояние проблемы

Радиолокационные методы определения векторного поля скоростей в пространстве,

например, поля ветра в атмосфере, условно можно разделить на несколько групп. К первой относятся доплеровские методы, использующие непрерывное излучение и геометрическое выделение измеряемой области пространства. Примерами могут служить лазерные доплеровские измерители скорости ЛДИС. двухпознционные

непрерывные системы, измеряющие скорости в ооласти пересечения диаграмм направленности передатчика и приемника, непрерывные доплеровские системы, выделяющие измеряемую область с помощью фокусировки. Однако указанные методы имеют последовательный режим обзора пространства и не всегда реализуемы на практике из-за необходимости разделения лучей или диаграмм. Это приводит к трудности пространственной селекции и сложностям при интерпретации полученных сигналов.

Ко второй группе относятся доплеровские методы, основанные на использовании импульсной модуляции зондирующего излучения и последующей когерентной обработке последовательности отраженных импульсов, длительность которых и время задержки определяют положение измеряемой области пространства. К этой же группе условно можно отнести системы с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и другими видами модуляции. Недостатками методов, относящихся к этой группе, являются неоднозначность измеряемых величин, что особенно проявляется при значительной дальности зондирования Л. высоких скоростях ветра У и на коротких длинах волн излучения X.

Это приводит, при заданных Л и У, к жестким ограничениям на используемые длины волн. Максимальная дальность и скорость связаны с длиной волны, на

которой работает радиолокатор, соотношением ^шах^пых = ^ ^ • С укорочением длины волны уменьшается диапазон однозначно определяемых скоростей и дальность, на которой можно осуществить ветровое зондирование. Это резко сокращает возможности применения миллиметровых РЛС для измерения поля ветра.

В особую подгруппу можно выделить методы основанные на нелинейной (в т.ч. псевдослучайной) модуляции зондирующего импульса н последующем нахождении автокорреляционных функций. Однако сложность аппаратуры, требуемой для их практической реализации, накладывает ограничения на применение таких систем.

К третьей группе методов можно отнести корреляционные методы, суть которых - слежение с помощью импульсных некогерентных систем за перемещением неоднородностей в пространстве, которые обычно представляют собой неоднородности пространственного распределения множественных рассеивателей.

Недостатки этих методов обусловлены возможностью трансформации неоднородмостей по мере их движения.

Настоящая работа посвящена разработке и практической реализации корреляционно-донлеропского метода реконструкции поля скоростей, отличающегося от всех методов, перечисленных выше. Теоретические основы метода были заложены в работах Стерлядкнна D.D. Метод основам на одновременном измерении суммарного догшеропского спектра вдоль траектории распространения излучения с помощью непрерывной доплсровской системы и измерении зависимости интенсивности обратно рассеянного сигнала от дальности с помощью обычного импульсного (некогерентного) радиолокатора.

1.3. Цель работы и задачи исследования

Цель работы: разработка нового метода дистанционного контроля поля ветра, имеющего высокое разрешение по скорости и дальности, и не имеющего ограничений по длине волны, на которой работает радиолокатор; просктнропание и создание экспериментального макета измерительного комплекса микроволнового диапазона для зондирования ветра в атмосфере; экспериментальная проверка метода и испытание измерительного комплекса в натурных условиях.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

1. Предложить теоретически обоснованную математическую модель метеорологического объекта и измерительной системы, пригодную для качественного и количественного описания коррсляциокно-доплсровского метода, которая учитывала бы особенности как динамического состояния атмосферы, так и параметры используемой РЛС.

2. Оценить влияние на точность получения оперативной информации о поле ветра таких возмущающих факторов, как турбулентность, флуктуации метеопараметров среды, гравитационное движение рассенвателен, конечная ширина диаграммы направленности антенны, а также шумы аппаратуры.

3. Создать программу, обеспечивающую численное решение прямой задачи. Она включает проведение имитационного моделирования приема, фильтрации и обработки сигналов импульсного к непрерывного радиолокаторов для различных •

условий. В результате должны быть получены доплеровские спектры, профили интенсивности обратного рассеяния для различных ветровых полей с учетом турбулентности, диаграммы направленности и распределения рассеивателей в пространстве.

4. Разработать программы, обеспечивающие решение обратной задачи восстановления профиля ветра на основе измеренных сигналов. На основании проведенного моделирования обосновать методику проведения натурных измерении для систем микроволнового и оптического диапазона

5. Для решения задачи восстановления поля ветра предложить алгоритм корреляцнонно-доплеровского восстановления поля скоростей и оптимизировать режимы зондирования. При этом должно быть учтено влияние различных возмущающих факторов на точность определения профиля ветра.

• В экспериментальной части работы:

7. Обосновать возможность использования нмпульсно-когерентной радиолокационной станцнн для имитации сигналов, используемых в корреляционно-доплеровском методе.

8. Обосновать технические требования к радиолокационному и

вычислительному комплексам, предложить алгоритм обработки сигнала, реализующий корреляционно-доплеровскии метод к разработать их программное обеспечение, позволяющее анализировать параметры отраженного сигнала непосредственно в процессе проведения измерений.

9. Создать передвижной измерительный комплекс в составе нмпульсно-когеренткого радиолокатора и ПЭВМ с программным обеспечением. Произвести натурные измерения поля ветра в дожде, снеге, смешанных осадках и сравнить их с "эталонным" (импульсно-когерентным) методом. На основании полученных данных оптимизировать методику измерении и сделать заключение об эффективности применения корреляцнонно-доплеровского метода для определения ветрового поля при выпадении осадков.

Поставленные задачи используют новый принцип дистанционных измерений. Каждый из этапов диссертационной работы в значительной мере являлся шагом в

новом направлении исследовании. Поэтому разрешение каждом проблемы было сопряжено с большими трудностями в теоретическом и экспериментальном плане. Автор имел ограниченные возможности для того, чтобы нснользоиать опыт, математический аппарат или достижении исследователей. работавших и этой области до него.

1.4. Научная новизна

В настоящей работе впервые показана возможность практической реализации коррелякнонно-доплеропского принципа измерений в мнкроношючом диапазоне в приложении к измерению поля ветра п атмосфере. Рассчитаны оптимальные режимы зондирования, методы регистрации и обработки данных, интерпретации результатов измерении.

Разработана оригинальная методика проиедеипя измерений и алгоритм обработки данных на ПЭВМ.

Создан уникальный контрольно-измерительный комплекс для дистанционного определения поля ветра и проиедены экспериментальные исследовании, подтвердившие широкие возможности разработанного метода.

На основании моделирования и натурных измерений произведена оценка точности метода для различных моделей ветра и метеоусловий.

1.5. Практическая ценность

Настоящая работа является еще одним шагом п папрапленни созлаиия нового поколения систем дистанционного контроля поля ветра. Разработанные методики, алгоритмы, проведенные экспериментальные исследования, создают задел дли решения задачи, связанной с созданием всепогодных, компактных радиолокационных н оптических систем ветрового зондирования атмосферы, которые необходимы для экологии, метеообеспечения авиации, метеообеспсчсния пойск и т.д. Использование разработанного метода перспектишю не только для изучения физических процессов, протекающих в атмосфере, но и для исследования любых движущихся объектов доплеровскимн методами без ограничения типа зондирующих волн.

1.6. Основные результаты, представляемые к защите:

1. Корреляционпо-доплеропский метод восстановления поля ветра микроволновом диапазоне длин иолн.

2. Алгоритм и программное обеспечение для оперативного дистаншюшюг контроля поля пстра корреляциоппо-доплеропским методом.

3. Результаты натурных измерений, теоретическая и экспериментальная опепк точности предлагаемого метода.

Достоверность результатов обеспечивается:

1. Использованием conpe.Mcnni.ix математических методов решепп статистических задач, использованием фундаментальной теории радиолокационной зондирования и статистической радиофизики, компьютерным моделированием задач! для различных моделей.

2. Достоверность экспериментальных данных подтверждается:

- взаимоконтролем каждой получаемой величины независимыми методами,

- сравнением с численными расчетами автора,

- повторяемостью результатов (средняя погрешность составляет 5-8%, включа; флуктуацию поля ветра),

- сравнением с импульсно-когереитным методом обработки того же сигнала.

Содержание работы.

Во введении излагается актуальность темы и состояние вопроса, ставятся цель I задачи, формулируются положения, выносимые на защиту.

В 1-й главе дана математическая постановка задачи корреляционно-доплеровской реконструкции поля ветра. При этом показывается теоретическая возможность получения поля скоростей на основании функции взаимной корреляции между сигналами, полученными при помощи непрерывной доплеровской и некогерентной импульсной системами. Т.е. исследуется взаимосвязь во времени между профилем интенсивности рассеянного сигнала и спектральной плотностью мощности доплеровского спектра.

С точностью до постоянной, профиль интенсивности сигнала вдоль траектории распространения излучения Г(И,1) можно описать соотношением:

[{R,t) = --i-cт(R,t)cxp{-2¡y(R\t)dR•} (|)

" о

где сг(Н,1) - сечение обратного рассеяния в зависимости от расстояния /< и времени /, усредненное по объему зондирующего импульса; - линейный коэффициент

ослабления вдоль траектории. Экспонента описывает ослабление сигнала при двойном прохождении трассы.

Зондирование атмосферы при помощи непрерывного доплеровского радиолокатора позволяет получить интегральный спектр, накопленный по всей трассе распространения излучения:

I

где^У,/) - спектральная плотность мощности доплеровского спектра, при этом - мощность сигнала в интервале доплеровскнх частот (г, г ' с/у)-,

^ = /0Л/2- обобщенная доплсровская частота, равная проекции скорости рассеивателей на направлении зондирования; fD - доплсровская частота; Л - длина волны зондирующего излучения; - распределение рассеивателей

по проекциям скоростей V.

Вариации интенсивности принимаемого сигнала одновременно проявляются как в доплеровском спектре

так и в профиле интенсивности /(Я, 0. Эти вариации являются ключевым моментом разработанного метода. Анализ временных корреляционных зависимостей между измеряемыми функциями

позволяет реконструировать профиль радиальных скоростей рассеивателей пдоль направления зондирования.

Использование только доплеровского спектра, полученного в непрерывном режиме зондирования, при облучении объекта со случайным распределением отражателей в пространстве, осложняет реконструкцию профиля скоростей (',(/?).

Однако дополнительные измерения функции /(/?,/), являющейся весовым сомножителем в подынтегральном выражении (2), позволяют снять эти ограничения.

Корреляция во времени между случайной функцией /(/?,/) и /) будет

иметь место лишь для тех пар значений V и Я. которые удовлетворяют искомому профилю скоростей На этом и основан корреляционно-доплеровский метод

реконструкции поля ветра. Для реконструкции поля скоростей вычисляется двумерная функция взаимной корреляции Ф(у,11) между и ■

т т г

о 'о о

где'Г - время усреднения функции корреляции.

Искомая зависимость !',(/{) является множеством локальных максимумов функции Ф(у,11), т.е. совокупность точек .максимальной корреляции'.

Учитывая, что временные вариации величины принятого сигнала являются необходимым условием применения корреляционно-доплеровского метода, в работе рассмотрены различные факторы, влияющие на изменения интенсивности радиоэха. Они связаны с пространственной неоднородностью отражателей в рассматриваемом объекте.

Для демонстрации применения корреляционно-доплеровского метода, были рассмотрены некоторые характерные примеры: попадание в луч радиолокатора мощного отражателя, наличие нескольких отражателей с различными ст(Л,0, движущихся на разных, но близких скоростях и т.д.

В главе приведены аналитически рассчитанные примеры формы сигналов

/(Я,О,

спектров и их функция взаимной корреляции Ф(\>,Я).

2-я глава посвящена моделированию процесса приема сигнала, его обработки и реконструкции поля скоростей. Важным этапом моделирования стало сравнению исходного (идеального) и реконструированного поля скоростей. Таким способом оценивался алгоритм и точность корреляциопно-доплеропского метода обработки сигнала. Особое внимание уделялось проверке полученных результатов и их 4 преемственности при переходе от более простых к более сложным моделям. Обобщенная структурная схема, использованная при имитационном моделировании изображена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема модели корреляционно-доплеровского метода.

Блок 1 - обеспечивает имитацию сигнала, принятого от импульсной некогерентной системы; блок 2 - расчет спектра по временным реализациям сигнала обратного рассеяния; блок 3- блок обеспечивает расчет корреляционной функции; блок 4 - блок осуществляет анализ поступающей на него информации; блок, обозначенный а -(ошумление) служит для создания "помехи" идеальному (вычисленному) сигналу.

При моделировании и обработке оцифрованного сигнала от импульсной и непрерывной систем интегралы в формулах (2) и (3) заменяются на интегральные суммы.

У ' ' j )

к|)и этом = А/ = —- где N - число отсчетов по дальности , М -

N М

число отсчетов по времени, - отсчеты по доплеровской частоте.

Профиль скоростей по дальности ^а(^) задавался непрерывной немонотонной функцией.

Предполагалось, что

- функция распределения по проекциям скоростей V на направление зондирования подчиняется нормальному закону с

дисперсией

ДК2

и рассчитывалась по формуле (б), для каждой конкретной дальности и скорости:

1

1 < , . .,2

Интенсивность обратного рассеяния отраженного сигнала

/(Л,.',) для момента времени ', и дальности Л, в обшем виде вычислялась, исходя из (7):

(Л.'у), (7)

- случайная функция с равномерным распределением на

интервале [0.. 1].

При математическом моделировании была показана возможность численными методами с достаточной точностью решить прямую и обратную задачу (получить модель сигналов, принимаемых РЛ системой и по ним восстановить искомое поле скоростей). Проведено исследование соотношения сигнал/шум при восстановлении профиля ветра в зависимости от количества ветвей в профиле ветра, имеющих одинаковые скорости перемещения на разных дальностях; от времени наблюдения; от ошумлсиия сигнала, принятого РЛ станцией, от формы самого профиля ветра.

По результатам моделирования были сделаны следующие выводы:

- Уровень корреляционного максимума но отношению к статистическому шуму

снижается на участках неоднозначного соответствия Г<--> что является

следствием наложения спектров на этих участках.

- При увеличении дальности, вследстиие обратной квадратичной зависимости мощности принимаемого сигнала от дальности (7), уровень корреляционного максимума снижается (при этом аппаратурные шумы не уменьшаются).

Следует отметить, что при накоплении функций корреляции и последующем их усреднении:

у

где /V - число накопленных усредняемых функций корреляции, (. К,). усредненная функция взаимной корреляции, соотношение сигнал/шум растет пропорционально \Ця , т.к. уровень шумои растет пропорционально Ул/, а уровень сигнала - пропорционально /V. При этом "случайные" максимумы убывают, а "истинный" все более явно выделяется над среднестагпстичеекнмн шумами. То есть, чем больше длина Т временной цепочки , тем лучше выделяются максимумы функции таимнон корреляции на фойе статистических шумов. При взаимнооднозначном соответствии V «--у Н , когда данной скорости V соответствует всего

одна дальность, соотношение максимумов функции корреляции к среднеквадратичному уровню ее шумов на каждой дальности составляет величину близкую к -Л^, что согласуется со статистическим законом для отношения "сигнал/шум".

В 3-й главе работы описана схема аппаратурного радиолокационного комплекса, действие по его модернизации, тестированию, рассмотрена методика проведения 1атуриых измерений поля ветра, обсуждаются алгоритмы обработки принятого РЛС :игнала.

Для проведения эксперимента на базе нмпульсно-когерентного радиолокатора А. = 1,8 см) был создан передвижной измерительный комплекс, имеющий в своем оставе модернизированный нмпульсно-когереитнын радиолокатор, ПЭВМ с

программным обеспечением, интерфейсную плату АЦП и иреобразоплте напряжения 12/220В.

В сентябре-декабре 1997 года проведены натурные испытания передвижио радиолокационного комплекса и апробирована предложенная схема корреляционн доплсропсхого восстановления поля ветра в дожде, снеге, смешанных осадках. С; комплекс перевозился легковым автомобилем "Жигули", питание аппарату! осуществлялось от бортовой системы питания автомобиля и одного дополнительно аккумулятора (12В. 120Ач).

Испытания подтвердили широкие позможпости теоретически разрлботлнно метода коррсляниопно-доплсроиской реконструкции поля ветра в атмосфе) Проведено сравнение результатов коррсляциопно-доплсровского восстановления по ветра с "эталонными" профилями, полученными импульсно-когерсптным метол« обработки принятого РЛ сигнала. На основании проведенного сравнения сдсла; заключение о работоспособности, широким возможностях и эффектипнос коррсляциопно-доплсровского метода.

Результаты натурных измерений, проведенные 23 и 25 ноября 1997 го представлены на Рис.2 и Рис.3. Темными точками на обеих графиках (Ряд. 1) выдели профиль ветра, полученный коррсляцпонно-доплсрпским методом, вторая линия эталонный профиль, полученный традиционным импульсно-когерсптным методом.

9 8 7

Í < У О

2 3 о

2 1 О

О 05 1 15 2 25

Дальмосп» í«m]

Рис 2.Зависимость проекции скорости ветра от дальности при выпалешш осадков в пи; слабого снега

Рис 3.Зависимость проекции скорости ветра от дальности при зондировании полосы дождя на дальности 0.5км-2.5 км.

Приведенные результаты демонстрируют хорошее 'соответствие данных, полученных корредяционно-доплеровским и эталонным импульсно-когерентным методами. Среднее расхождение не превышает 0.4 м/с. Анализу подвергалась также повторяемость результатов (съем данных последовательно по 10 минутным "интервалам"). Средняя ошибка при этом составляла 5-8%, что не превышает естественные флуктуация самого поля ветра.

В заключении перечислены основные этапы и результаты работы.

1. Разработан новый метода дистанционного контроля поля ветра в микроволновом диапазоне длин волн, имеющий высокое разрешение по скорости и дальности, и не имеющий ограничений на рабочую длину волны радиолокатора.

2. Предложен алгоритм корреляционно-доплеровского восстановления поля скоростей и оптимизирован режим зондирования для решения задачи восстановления поля ветра с учетом влияния различных возмущающих факторов.

3. Разработана методика сравнения корреляционно-доплероиского измерения поля ветра с хорошо известным импульсно-когерентным методом измерений на базе модернизированного импульсно-когерентного радиолокатора.

4. Разработаны технические требования к радиолокационному вычислительному комплексам, предложен алгоритм обработки сигнала, реализуют: корреляционно-доплеровский метод, позволяющий получить данные о по ветра в атмосфере как постобработкой принятого сигнала, так и в реальном масшта* времени.

5. Разработана структура и блок-схема измерительно-вычислительно комплекса, включая системы впода, вывода и визуализации информации, а такя программное обеспечение, позволяющее оперативно анализировать отраженнь сигнал. На основе структуры и блок-схемы создан передвижной измерительнь комплекс d составе импульсио-когерсптного радиолокатора с аппаратны.\ доработками принципиальной схемы, ПЭВМ с программным обеспечение: интерфейсной платы АЦП и преобразователя напряжения 12/220В.

6. В сентябре-декабре 1997 года произведены натурные измерения поля ветра дожде, снеге, смешанных осадках. Сравнение с "эталонным" (импульснс когерентным) методом обработки принятого РЛ сигнала показало работоспособное™ возможность и эффективность корреляционно-доплеровского метода.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Стерлядкин В.В., Лобанов Д.В. Корреляционно-доплеровские методы акали: сигналов при распространении радиоволн. Тезисы докладов XVIII Всероссийско конференции по распространению радиоволн, С-Петербург, т. 1, 1996 г, с.451-452.

2. Stcrlyadkin V.V., Lobanov D.V. Doppler-Correlation Reconstruction of velocit field. Inverse and Ill-posed Problems. Abstracts of International Conference, Moscov Russia, Lomonosov Moscow State University, 1996. p. 174.

3. Sterlyadkin V.V., Lobanov D.V. Doppler-Correlation Reconstruction of wind fielc 8-th International Simposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of th Atmosphere and Oceans. Proceedings, Moscow, Russia, p. 126-132, 1996.

4. Sterlyadkin V.V., Lobanov D.V. Doppler-Correlation Measurements of Vectc fields. Progress in Electromagnetic Research Symposium. Proceedings. Innsbruck. Austri; 1996, p. 272.

5. Лобанов Д.В. Корреляционно-доплеровская реконструкция поля скоросте потока транспортных средств. Сборник научных трудов НИЦ ГАИ МВД Россш Москва, выпуск №1, 1997 г.,с. 105-115.