автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методов дистанционного контроля внутренней структуры метеобразований на основе статистического анализа эхо-сигналов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И

п, лп ИНФОРМАТИКИ

< | и ОД

На правах рукописи УДК 551.501.8

Фролов Владислав Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ МЕТЕОБРАЗОВАНИЙ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭХО-СИГНАЛОВ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий.

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 Горелик А.Г.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Андреев Г.А.

Доктор физико-математических наук, профессор Федоров В.Ф.

Ведущая организация:

Московский Государственный технический университс гражданской авиации (МГТУГА)

Защита диссертации состоится "/5" /^Ая 1998г. в /¿7~ часов I заседании диссертационного совета К 063.93.03 в Московскс Государственной Академии Приборостроения и Информатики г адресу: 107076, Москва, Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАГ1И

Автореферат разослан У/" а л рем 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета /^{/у^

к.т.н, доцент -Яиц/К Богданова Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 Актуальность работы

Использование статистических методов в радиолокационной етеоролопш имеет более чем 40-летнюю историю. За ото время гдиолокационные методы, основанные на статистическом анализе луктуаций радиоэха, получили широкое развитие у нас в стране и .за убежом и позволили решить широкий круг очень сложных етеорологических задач, а именно, получить новые сведения о "роении метеообъектов и динамических процессах, протекающих в гмосфере. Значительные успехи были достигнуты в области рименения доплеровских радиолокационных станций для определения вижения воздушных потоков, характеристик турбулентности, икрофизических параметров облаков и осадков и т.д.

Потребителями радиолокационной информации обычно являются тециалисты, которые занимаются изучением строения атмосферы и ротекающих в ней процессов. Поэтому информация об облучаемом етеообъекте, которую несет в себе отраженный сигнал, обычно риводится к тем традиционным величинам, которые используют етеорологи, геофизики и специалисты по физике атмосферы при перативной работе и при моделировании атмосферных процессов. При гом переход от измеряемых радиолокационных величин к етеорологическим параметрам с оценкой точности их определения до астоящего времени остается одной из основных проблем адиолокационной метеорологии. В связи с этим повышение остоверности радиолокационной информации о протекающих гмосферных процессах являются одной из важнейших задач, стоящих еред статистической радиолокационной метеорологией. Решению казанной проблемы посвящается настоящая диссертационная работа, то и определяет ее актуальность.

.2 Состояние проблемы

Методика радиолокационного исследования метеообъекта может ыть представлена следующим образом. Радиолокационная станция ?ЛС), антенна которой направлена вертикально вверх или под пределенным углом к горизонту, облучает часть пространства лектроиагнитным излучением в пределах, определяемых диаграммой аправленности антенны. РЛС может работать в непрерывном или мпульсном режиме, Ее основными параметрами являются: длина олны излучения, мощность выходного сигнала, чувствительность риемника излучения, распределение мощности в сечении луча, форма иаграммы направленности, длительность и частота посылок импульсов хля импульсного радиолокатора).

Метеоцель обычно занимает большой объем в пространстве, и в ольшинстве случаев одновременно радиолокатором облучается лишь

з

его малая чаеть(рассеивающий объем). Рассеивающий объем можн( представить в виде объекта, состоящего из некоторого числа частиц которые рассеивают падающее на них излучение. Под термш "рассеивающие частицы" или "рассеиватели" могут подходить каши дождей и облаков, градины и снежинки, пыль, насекомые, семеш растений и т.д. В качестве "частиц" могут рассматриваться I диэлектрические неоднородности атмосферы. Характер отраженной сигнала может определяться количеством, размерами, формой взаимным расположением в пространстве и диэлектрическим! свойствами рассеивателей, а флуктуации отраженного сигнала изменением этих параметров за время наблюдений. Наиболее част( измеряемыми параметрами являются радиолокационная отражаемость ширина спектра интенсивности отраженного сигнала, среднш доплеровский сдвиг частоты и ширина доплеровского спектра (длз доплеровской РЛС), и очень редко информация извлекается из формь спектра отраженного сигнала.

Ранее были получены соотношения, связывающие таки< параметры радиолокационного сигнала как его интенсивность, величин; среднего доплеровского сдвига, ширина доплеровского спектра илх интенсивности отраженного сигнала с такими метеорологическим! величинами, как средняя скорость переноса восходящих масс (векто{ скорости ветра), параметрами атмосферной турбулентности (скорост! диссипации турбулентной энергии), вертикальный градиент ветра средний размер рассеивающих частиц. Практически все расчетные соотношения получены для условий, при которых можно пользоваться моделью, при которой рассеивателей, существенно влияющих н« формирование отраженного сигнала, в рассеивающем объем« "много"(расстояния между частицами много меньше линейны: размеров рассеивающего объема), и они "равномерно" распределены 1 пространстве, а среднее расстояние между ближайшиш рассеивателями превышает ?./2, где /.-длина волны излучение радиолокатора.

Однако, при радиолокационных исследованиях реальны: метеообразований достаточно часто возникают ситуации, когд; рассеивателей в рассеивающем объеме "мало", т.е. расстояния межд; рассеивателями сравнимы с размерами рассеивающего объем; (например, при отражениях от "ясного неба"). А в тех случаях, когд; рассеивателей "много", они могут занимать только часть рассеивающее объема или их отражающие свойства могут быть настолью различными, что радиолокационная отражаемость будет определяться одним или несколькими рассеивателями. Так как процесс формирования радиоэхо заранее не известен, то полученными ранее и общепринятым] соотношениями необходимо пользоваться с большой осторожностью. 1 ряде случаев неправильный учет модели формирования радиоэх' вообще может привести к неправильным выводам. Поэтому проблем: определения структуры рассеивающего объема, влияющей н;

4

формирование отраженного сигнала, имеет первостепенное значение (ля того, чтобы правильно пользоваться теми соотношениями, которые голучены ранее, иди проводить выбраковку данных, которые не годлежат геофизической интерпретации.

Для того чтобы ответить на вопрос, как происходит формирование игнала радиоэхо, необходимо провести теоретические расчеты, (ыполнить соответствующее моделирование и на базе полученных (анных, предложить радиолокационные методы, которые оперативно гогли бы ответить на вопрос о том, как происходит формирование >адиоэхо. В такой постановке требуется усовершенствование как радиолокационного комплекса, так и методики обработки данных, а амое главное подготовить почву для того, чтобы можно было надежно гнтерпретировать полученную информацию. Для этого предлагается юпользовать методы радиоголографии или сложные сигналы и ¡етально анализировать форму спектра отраженного сигнала и гоимпульсные распределения отражаемости. Отметим, что количество >абот, в которых анализируется форма спектра, крайне мало. В юдавляющем большинстве случаев эти работы не базируются на :адежном теоретическом фундаменте и поэтому часто заключения, юторые делаются при анализе спектра отраженного сигнала, не ыдерживают критики. Кроме того необходимо отметить, что до :астоящего времени нет законченных зарубежных и отечественных >абот, которые обеспечивали бы возможность отступления от радиционной модели рассеивающего объекта. По крайней мере нам не [звестны работы, в которых данная проблема нашла свое решение.

.3 Цели работы и задачи исследования

На основании сказанного цели настоящей работы были формулированы следующим образом:

предложить радиолокационную модель, которая была бы пригодна ,ля. широкого класса метеорологических объектов, включая облака, садки, отражения от "ясного неба"(ОЯН), которая учитывала бы их наличное строение и микроструктуру.

разработать и теоретически обосновать радиолокационные методы, оторые позволяют в процессе наблюдений осуществлять ^станционный контроль внутренней структуры отражающего объекта ■ тем самым повысить достоверность и точность информации о ;инамических процессах протекающих в атмосфере.

определить требования хс радиолокационному и вычислительному омплексам, предложить алгоритмы обработки сигнала, позволяющие олучить данные о ветре и турбулентности в атмосфере в реальном сасштабе времени.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить ледующие задачи:

1.Предложить и обосновать модель рассеивающего объема с произвольным числом разнородных рассеивателей распределении? случайным образом в пространстве.

2,Оценить влияние количества рассеивателей в рассеивающее объеме на точность в определении минимальных расстояний межд^ ними.

3.Исследовать влияние геометрии рассеивающего объема на ви; распределения частиц по минимальным расстояниям, а также не среднее минимальное расстояние между ними и среднеквадратичноь отклонение от среднего минимального расстояния.

4.На основе анализа спектра интенсивности и функции корреляции отраженного сигнала предложить методы, позволяющие получит! информацию о количестве и взаимном расположении отражателей г рассеивающем объеме.

б.Провести сравнительный анализ распределения вероятности интенсивности отраженного сигнала для множественной цели и системь: из нескольких рассеивателей.

6.Теоретически исследовать влияние турбулентности на интенсивность отраженного монохроматического г: немонохроматического сигналов от метеообъектов с небольшим числом рассеивателей и множественных целей.

7.Разработать структуру измерительно-вычислительного комплекса, включая системы ввода, вывода и представления информации, а также программное обеспечение, позволяющее анализировать спектр отраженного сигнала непосредственно в процессе проведения измерений.

8.Провести геофизическую интерпретацию данных радиолокационных измерений, полученных: в МГАПИ, а также приведенных в работах зарубежных авторов.

1.4 Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1.Предложена и теоретически обоснована радиолокационная модель, которую можно использовать для широкого класса метеорологических объектов, которая учитывает их внутреннюю структуру и параметры зондирующего излучения радиолокатора. Разработанную модель можно применять при работе доплеровских метеорологических радиолокационных станций в широком диапазоне длин волн.

2.Смоделирован и проанализирован процесс отражения радиолокационного сигнала с различной шириной спектра от совокупности произвольного числа рассеивателей с произвольными расстояниями между ними. Разработана методика определения внутренней структуры метеообъекта и расстояния между рассеивателями в рассеивающем объеме с помощью широкополосных I узкополосных сигналов.

З.Проведен анализ "тонкой структуры" радиоэхо с целью галучения геофизической информации о динамике процессов, фотекающих в облаках, осадках и ОЯН.

1.5 Практическая ценность работы заключается в том, что:

1.Разработана и теоретически обоснована модель метеообъекта, трименение которой обеспечивает надежное определение структуры эассеивающего объема, и тем самым позволяет повысит достоверность данных о строении и динамических процессах, протекающих в сонтролируемом метеообъекте.

2.Разработана структура измерительно-вычислительного сомплекса, который включает в себя РЛС, систему оцифровки :игнала(АЦП) и персональную ЭВМ. Определены требования к ¡истемам ввода, вывода и предоставления информации.

3.Предложены алгоритмы обработки отраясенного сигнала, юзволяющие получать данные об атмосферных процессах в реальном масштабе времени.

4.Создан пакет программного обеспечения, позволяющий щализировать спектр отраженного сигнала непосредственно в процессе доведения измерений и представлять данные в удобном для интерпретации виде.

t.6 Реализация и внедрение результатов работы:

Основные результаты работы используются в рамках научно-гсследовательской программы "Механизм РВО", которая ведется по :екции прикладных проблем РАН.

1.7 Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на •CVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн Санкт-Петербург, 17-19 сентября 1996г), на Международной сонференции COST-76 Profiler Workshop 1.997 (Engelberg,

Switzerland,12-16 May 1997), на XI Всероссийской школе по дифракции 1 распространению волн (Москва, 12-15 января 1998г).

¡.8 Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

1.9 Структура и объем диссертационной работы,

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, ¡аключения и списка литературы. Общий объем работы составляет .22 страницы и включает 33 рисунка и 7 таблиц. Список литературы ■одержит 97 наименований.

1.10 Основные положения, представляемые к защите:

1.Теоретически обоснованная модель метеообразования,

позволяющая повысить точность и достоверность данных, получаемых : результате дистанционного контроля параметров атмосферы.

2.Радиолокационные методы, обеспечивающие оперативно' определение радиолокационной модели метеообъекта.

3. Результаты анализа параметров отраженного сигнала базирующегося на методиках, разработанных в теоретической част] работы.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы ! сформулированы цели исследования. Поставлены задачи, которьи необходимо решить и приведены основные положения предоставляемые к защите.

1.Теория рассеяния и ее приложения к дистанционному контроля атмосферных динамических процессов

В первом разделе приводятся общие(априорные) сведения с структуре и строении различных метеообъектов. При этом особо£ внимание уделяется оптическим и радиолокационным характеристика?, метеообъекта, которые представляют интерес для определение вертикального профиля ветра и атмосферной турбулентности Основными контролируемыми параметрами обычно являются: средня* скорость ветра v, направление ветра а0, величина пульсационно!

/ТтУ/2 Ди2

скорости ветра^Ди ^ , порывистость ветра —, минимальны*

масштаб пульсаций I, внешний масштаб турбулентности Ь энергетический спектр пульсаций С(н], структурная функция и ряд других параметров.

Характер отраженного сигнала от метеорологической цели существенным образом зависит как от характеристик облучаемого метеорологического объекта так и от параметров облучающего сигнала Поэтому предлагается несколько различных моделей для описания таких метеорологических объектов как облака, осадки и отражения от "ясного неба"(ОЯН). Эти модели учитывают их различную внутреннюю структуру, а также длину волны и ряд иных параметров радиолокатора, который используется для метеорологических наблюдений.

На основании модели и методов расчета, предложенного Г.С Гореликом в его классических работах, приводятся и анализируют^ соотношения, связывающие параметры движения рассеивателей и величину рассеянного ими сигнала. Основным достоинством метода является то, что при выводе расчетных соотношений не делается предположений о конкретном виде распределения частиц по скоростял]

8

и не накладывается требование о независимости их взаимного движения. При этом в рамках традиционной радиолокационной модели метеообъекта предполагается, что в рассеивающем объеме "много" рассеивающих частиц (расстояния между частицами много меньше линейных размеров рассеивающего объема, но больше чем длина волны излучения радиолокатора). Предполагается также, что рассеиватели занимают все пространство внутри рассеивающего объема, а их отражающие свойства "примерно одинаковы". За время измерении рассеиватели перемещаются друг относительно друга, сохраняя свой размер и форму, среднее количество рассеивателей за время измерений остается неизменным. В дальнейшем было показано, что спектр на выходе фазового детектора повторяет по форме распределение проекций абсолютных скоростей рассеивателей на направление распространения радиоволн, с учетом того вклада, которьш они вносят в суммарную радиолокационную отражаемость, а спектр на выходе квадратичного детектора повторяет по форме распределение проекций относительных скоростей рассеивателей на направление распространения радиоволн, с учетом того вклада, который они вносят в суммарную радиолокационную отражаемость. Цля выше описанной модели удалось связать скорость диссипации турбулентно!! энергии е (для мелкомасштабных движений, для которых применима теорию локальной турбулентности Колмогорова-Обухова) :о спектром флуктуации отраженного сигнала. Полученными соотношениями можно воспользоваться в тех случаях, когда влияние на ;пектр интенсивности отраженного сигнала других метеорологических факторов по сравнению с турбулентными пульсациями ветра гренебрежимо мало.

Рассматриваются такая структура и такие модели метеообъектов, зля которых соотношения, полученные в рамках традиционной теории, :тановятся неприемлемыми. Далее обсуждаются вопросы влияния »внутренней структуры метеообъекта на точность измерения параметров движения рассеивателей. Такими параметрами могут быть, например,

/-\ 1/2

»еличины пульсационной скорости ветра I Аг>21 и скорости диссипации

■урбулентной энергии е. Показано, что для повышения точности

шредел ения |дг'2| и г. необходимо непосредственно во время

хзмерений получить радиолокационную информацию о том, как формируется отраженный сигнал.

I. Определение структуры отражающего объекта

Второй раздел посвящен поиску оптимальных методов измерений, беспечивающих получение данных о количестве и взаимном >асположении отражателей в рассеивающем объеме.

Предлагается два подхода к решению проблемы. Первый основан на анализе пространственного распределения величины отраженного сигнала в плоскости приемной антенны, т.е. на методах радиоголографии. Реализация таких методов сопряжена со значительными техническими сложностями и потерей оперативности. Поэтому в настоящей работе основное внимание уделено другому подходу, который состоит в использовании сложных сигналов. Ранее разработанная теория относилась в основном к тем случаям, когда для целей контроля параметров метеообъекта использовались монохроматические или квазимонохроматические источники излучения, а прием и анализ сигнала радиоэхо осуществлялся в одном пункте. При помощи такой системы в общем случае достаточно сложно получить сведения о внутренней структуре отраженной цели. Поэтому предлагается использование систем, излучающих широкополосный сигнал, который после отражения от метеоцели подвергается детальной статистической обработке. При анализе исследуется спектр и распределение интенсивности отраженного сигнала.

На основании соотношений, связывающих динамические

параметры среды со спектром отраженного сигнала при "низком"

содержании отражателей в рассеивающем объеме, предлагается

методика определения проекции расстояния на направление излучения

между рассеивателями. Основные идеи поясняются на модели

метеообъекта, который состоит из двух рассеивателей (или двух групп

рассеивателей). Так, если в рассеивающем объеме находятся два

рассеивателя, а спектр зондирующего сигнала лежит в интервале

волновых чисел к] и к> (А/с — ко-к^ , Ак«к1,к2, распределение

интенсивности по волновым числам -Щк)), то интенсивность

отраженного сигнала для отдельной спектральной компоненты к (7се[ к\

к% ]) определяется следующим соотношением:

'_2 -------- а2 + Ъг

E(t) = aCos(wt - 2k£l ) +- bCos(wt - 2kÇz ) =-+ abCos(2kd)

2

о} + b2

Для сплошного спектра J£ = J(--— + abCos(2kd))3(k)dk

Mc 2

В случае, если:

а)частоты в спектре облучающего сигнала равномерно

распределены в интервале волновых чисел А/с с центром в Icq

+ Ъ2 Л/ ^ ль» ,Sin(dAk) Is =---Aie + abCos(2dka)-—-1

Функциональная зависимость Р(Ак)=1^/Лк приSk=n/d достигает

асимптотического значения Расимп—(a2+b2)/2, a затем с ростом А к осциллирует около этой величины. Расстояние между двумя рассеивателями d может быть определено, как d=?г/А/с, где А к -минимально возможная ширина интервала волновых чисел, при которой

величина /у/Д/с достигает значения, к которому она стремиться при возрастании Ак .

б) частоты в спектре облучающего сигнала распределены по Гауссу с центром в к0 и шириной спектрального контура Л к «кд на уровне 0.5:

L = + ab i—— AkCos(2dkJExp(---—Л/с2;

2 уИп(2) \41п(2) 0 Ш( 2)

Анализ полученной функциональной зависимости

Р(Ак) - Iv / ^¡у^'^ п0казывает, что, как и в случае равномерного

спектрального распределения, расстояние между двумя рассеивателями может быть приблизительно определено, как d = я/Ак, где Ак -минимально возможная ширина спектрального контура на уровне 0.5, при которой величина Р(Ак) практически достигает значения, к которому она стремиться при возрастании Ак .

Базируясь на результатах выполненных расчетов можно показать, что использование облучающего сигнала с различной шириной спектра Ак позволяет определить внутреннюю структуру рассеивающего объема. При "низким" содержанием рассеивателей среднее расстояние между ними может быть определено из анализа распределения интенсивности отраженного сигнала. Для метеообъекта, состоящего из двух рассеивателей, величина отношения I/Ак существенным образом зависит от Ак в интервале Ак s]0,Jt/d[. При облучении такого метеообъекта сигналом, ширина спектра которого периодически изменяется в интервале 0< А к < А к 1Пах(Д/с max > n/d), исследование временных зависимостей I/Ак позволяет идентифицировать такой метеообъект. Это возможно даже в отсутствие турбулентности, т.е. в тех случаях, когда взаимное расположение рассеивателей остается неизменным во времени. Если атмосфера турбулизирована, то для любого момента времени t: d(t)=d(to)+vtAL . Это соотношение справедливо для таких малых At, для которых проекцию относительной скорости рассеивателей на направление зондирования vt можно считать практически постоянной.

Показано, что использование немонохроматического сигнала с переменной шириной спектра, которая "быстро" изменяется по сравнению с проекцией расстояния d(t), позволяет определить временную зависимость d.(t), а следовательно, и v(t). Статистический анализ такой зависимости дает возможность судить о параметрах атмосферной турбулентности. Вместо сигнала с "быстро" меняющейся во времени шириной спектра можно использовать широкополосный сигнал. В этом случае исследуется характер флуктуаций I(t). Если проекция среднего расстояния между рассеивателями за время наблюдения dcpe,vi достаточно велика, то сглаживание временных

флуктуации интенсивности происходит при достаточно малой ширине спектра Ак. При малых с£средн сглаживание сигнала происходит только при облучении рассеивающего объема достаточно широкополосным сигналом (Ak>n/dcpe,nH).

Зависимость интенсивности отраженного сигнала при облучении метеообъекта, состоящего из более чем двух рассеивателей, немонохроматическим сигналом аналогична зависимости интенсивности отраженного сигнала от системы, состоящей из двух рассеивающих частиц. Общую интенсивность отраженного сигнала можно представить как сумму интенсивностей отражений от отдельных пар рассеивателей. При этом необходимо учесть все расстояния, которые возможны между различными парами рассеивателей. Наложение интерференционных картин от таких пар рассеивателей друг на друга в точке наблюдения при увеличении числа частиц в рассеивающем объеме будет сглаживать зависимость I от Ак . Величина флуктуаций 1(Ак) будет существенно меньше, чем для двух рассеивателей. Те пары рассеивателей, для которых выполняется условие d > тс/Ак перестают вносить вклад в переменную составляющую 1(Ак). С увеличением интервала Ак число таких пар растет и флуктуации ЦАк) исчезают.

Для обнаружения множественной метеорологической цели в турбулентной атмосфере может быть использован анализ распределения интенсивности отраженного монохроматического сигнала, полученного при поимпульсной регистрации.

При экспериментальном исследовании отражений от метеообъектов в силу того, что диаграммы направленности антенн радиолокаторов различны, то различны и распределения интенсивности излучения в пространстве. Поэтому в общем случае проекция скорости определенного рассеивателя на направление излучения и вклад данного рассеивателя в общую отражаемость будет определятся не только характером его движения и отражающими свойствами, но и месторасположением данного рассеивателя в пространстве рассеивающего объема в момент наблюдения. Следовательно, при выводе соотношений, которые связывают характеристики отраженного сигнала со структурой рассеивающего объема, необходимо учитывать еще и влияние пространственного распределения облучающего сигнала, т.е. форму и ширину диаграммы направленности.

III. Измерительно-вычислительный комплекс

Третий раздел посвящен описанию радиолокационного комплекса и системы обработки, которые предлагается использовать для решения задач поставленных: в настоящей работе. Для того чтобы обеспечить обработку и интерпретацию выходного сигнала доплеровской PJIC непосредственно во время проведения эксперимента и осуществлять вывод полученной информации, которая поступает для геофизической интерпретации, предлагается совместное использование доплеровской

РЛС и персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ).

Импульсно-когерентная доплеровская РЛС (МГАПИ) имеет следующие характеристики: рабочая длина волны 2 см, длительность импульса 0.4мкс, частота посылок импульсов 4000 имп/с. Кроме того применяется обработка двухполярного сигнала по двум каналам фазового детектора одновременно, что дает возможность определения знака скорости движения цели.

На основании расчета получено, что при таких характеристиках доплеровской РЛС для преобразования в цифровую форму сигнала с интервала дальности протяженностью 5 км с пространственным разрешением в 50 м требуется скорость оцифровки порядка 2.5 Мгц. Кроме того, аналогово-цифровой преобразователь(АЦП) должен иметь несколько каналов для преобразования не только основного сигнала, но и вспомогательной информации о положении сканирующей антенны и т.д.

Показано, что использование 1ВМ РС компьютера стандартной конфигурации типа 3860Х/387/40МГц/Е1АМ 4Мб или 486БХ-33/ЙАМ 4Мб позволяет ввести и обработать объем информации, необходимой для оперативного контроля протекающих атмосферных процессов при работе доплеровской РЛС в одном направлении на дистанции порядка 5 км. Для ввода и оперативной обработки информации, поступающей на вычислительный комплекс при сканировании доплеровской РЛС в различных направлениях по пространству, требуется изменение базовой конфигурации ЭВМ или приходится сокращать количество первичных данных.

На основе модельных построениях доказано, что при использовании предложенной системы возможно определение средней скорости ветра, его градиента и параметров атмосферной турбулентности.

Дальнейшие усовершенствования системы возможны в следующих направлениях:

- использование промежуточного носителя для считывания и хранения первичной информации большого объема перед полной или частичной математической обработкой.

- использование более мощной и быстродействующей ЭВМ для большей оперативности обработки информации.

проведение предварительного геофизического анализа непосредственно в процессе обработки.

IV. Анализ спектров отраженного сигнала

В IV разделе дается описание применения разработанных в первых двух разделах методов для анализа реальных записей отраженного сигнала от различных метеообъектов, полученных при работе в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Обращено внимание на то, что обычно приводимые в литературе данные и результаты их первичной обработки недостаточны для

однозначной интерпретации. Поэтому приходится использовать дополнительную информацию. Приведенные в литературе данные следует разбить на три группы. Первая - можно использовать традиционную модель; вторая - традиционной моделью пользоваться нельзя; третья - традиционной моделью можно пользоваться с той или иной вероятностью.

Полученные в теоретической части работы результаты применены для геофизической интерпретации данных радиолокационных измерений. Показано, что, базируясь на данных одновременных радиолокационных измерений отражаемости, среднего доплеровского сдвига частоты и ширины спектра, нельзя прийти к однозначной схеме формирования радиоэха. Это указывает на то, что к геофизической интерпретации данных радиолокационных измерений необходимо подходить с большой осторожностью.

Результаты такого анализа иллюстрируются на данных, полученных в ряде зарубежных и отечественных работ, а также на данных, полученных автором при помощи системы, описанной в III разделе настоящей работы.

Для анализа использовались данные, которые приводятся в следующих работах: Л.В Князев "Радиофизические исследования атмосферы с помощью радиолокаторов с непрерывным излучением"(Диссертация на соискание ученой степени д.ф.-м.н., НИРФИ, г. Горький, 1987 г.),L.Thomas and D.A.Hooper"The Identification of Intence Atmospheric Turbulence Using Lower VTIR Radar", D Jerretf'Case Stady of a Convective Storm Observed at the MST Radar at Aberystwyth" (COST-76 Profiler WorkShop 1997, Volume II, 12-16 May , 1997, Engelberg, Swilzerland).

Показано, что для того, чтобы устранить неоднозначность геофизической интерпретации результатов радиолокационных измерений необходимо провести детальный анализ формы доплеровского спектра отраженного сигнала, и временных записей отраженного сигнала в которых регистрируется величина каждого отраженного импульса..

Заключение

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы.

З.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны радиолокационные методы дистанционного контроля внутренней структуры рассеивающего объекта, позволяющие получать более точную и подробную информацию, обеспечивающую дистанционный контроль протекающих в атмосфере динамических процессов.

I. Предложена модель рассеивающего объема с произвольным числом рассеивателей случайно распределенных в пространстве. На основе этой модели теоретически обоснованы радиолокационные модели таких метеорологических объектов, как облака, осадки различной интенсивности, ОЯН и т.д. При этом было учтено влияние длины волны излучения, длительности зондирующего импульса, ширины диаграммы направленности и других параметров облучающего сигнала .

II. Показано, что при небольших концентрациях рассеивающих частиц характерные параметры распределения рассеивателей по минимальным расстояниям между ними существенно зависят от геометрии рассеивающего объема и количества рассеивателей в рассеивающем объеме. Для "больших" же концентраций рассеивателей эти зависимости не существенны. Сделан вывод о том, что при "малом" числе рассеивателей в рассеивающем объеме точность определения средней скорости диссипации турбулентной энергии и других параметров атмосферной турбулентности будет определяться возможностью как можно более точного определения количества облучаемых рассеивателей и их взаимного расположения .

III. Предложено и теоретически обосновано применение методов радиоголографии и широкополосных радиолокационных сигналов для определения внутренней структуры рассеивающего объекта и расстояний между рассеивателями.

Получены выражения для интенсивности отраженного сигнала и функции корреляции на выходе фазового детектора при облучении совокупности рассеивателей бигармоническим сигналом, состоящим из двух близких частотных компонент, а также широкополосным "немонохроматическим" сигналом с непрерывным спектром. Показано, что для определения расстояния между двумя рассеивателями и динамики его изменения в процессе их движения можно использовать узкополосный облучающий сигнал с быстро меняющейся шириной спектра или поочередно использовать излучение с различной фиксированной шириной спектра.

IV. Показано, что атмосферная турбулентность существенным образом влияет на характер флуктуаций интенсивности отраженного монохроматического и немонохроматического сигналов. При этом наблюдаются принципиальные отличия в распределении интенсивности отраженного сигнала для множественной метеоцели и системы из нескольких рассеивателей.

V. В процессе работы создан пакет программного обеспечения, позволяющий выполнять следующие задачи компьютерного моделирования:

- Для произвольно заданных распределения рассеивателей в атмосфере и параметров РЛС, определяющих геометрию облучающего сигнала, строить модели рассеивающего объема и вычислять

характерные параметры распределения рассеивателей по

минимальным расстояниям между ними.

- Моделировать процесс отражения радиолокационного сигнала с различной шириной спектра от совокупности произвольного числа рассеивателей с произвольными проекциями расстояний между ними на направление излучения и анализировать флуктуации интенсивности отраженного сигнала.

Производить математическую обработку полученных теоретически или экспериментально массивов данных, включая сглаживание, дифференцирование, интегрирование, быстрое преобразование Фурье (БПФ), вычисление корреляционных функций, определение средних среднеквадратичных величин, построение вероятностных распределений отраженного сигнала.

Представлять исходную, промежуточную и конечную информацию в графическом, табличном или аналитическом видах.

VI. Проведена обработка и интерпретация сигналов полученных с помощью импульсно-когерентной и доплеровской радиолокационных станций с ЛЧМ модуляцией. Показаны большие возможности методик, разработанных в настоящей работе, для дистанционного контроля за динамическими процессами, протекающими в атмосфере .

4.0СН0ВН0Е СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 .В.Ю.Фролов "Радиолокационно-радиометрические исследования облачности томографическими методами", Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 17-19 сентября 1996г.

2. V.U.Frolov "The Influence of Structure of Reflective Signal from "Clear Air" on Accuracy of Determination of Parameters of Wind and Turbulence",Extended Abstracts COST-76 Profiler Workshop 1997, Volume II, pp.290-293, 12-16 May , 1997, Engelberg, Switzerland

3.A.G. Gorelik and V.U. Frolov "The Influence of Atmosphere Turbulence on Spectrum Fluctuations of Intensity of Reflective Non-Monochromatic Signal", Abstracts Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-98), 1998, Congress Center of Nantes, France

4.В.Ю.Фролов "Использование узкополосных и широкополосных радиолокационных сигналов для определения внутренней структуры отражающего метеообъекта", Труды XI Всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению волн, Москва, МГУ, 1215 января 1998г.