автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-вычислительный комплекс для изучения крупномасштабной динамики атмосферы методами доплеровского радиолокационного зондирования

Академия'наук СССР Институт космических исследований .

На правах рукописи УДК 681.34*32: 621.396.969.14: 551.501.8,

ФЕЩУЛОВ Александр Сергеевич

Ш«ОРМ.ЩИОННО-ВЫЧМСЛГШ1ЬШИ КОМПЛЕКС ДЯЯ ИЗУЧЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ДИНАМИКИ АТМОСФЕРЫ МЕТОДАМИ ДОШ1ЕРОВСКОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО 30ЭДИР03АНШ

Специальность Об. 11.16 - тформационно-Езмерительныв системы

в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Институте космических исследований Академии наук СССР

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Е.А.Шарков .

Научный консультант - кандидат физико-математических наук

И,Н.Клепиков

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

А.Б.Шупящшй кандидат технических наук Б.В.Лаврусевич

Ведущая организация - Главная геофизическая обсерватория

им. А.И.Воейкова

/9 //>

Защита состоится "'V' " ' ^ 1991г. в 7 / часов на заседании Специализированного Ученого совета Д 002.94.03 Института космических исследований Академии наук СССР в конференц-зале Института по адресу: г.Москва, Профсоюзная ул., 84/32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ АН СССР

Ял Г ¡Г"

Автореферат разослан " ^^ 1991г.

Ученый секретарь Специализированного Сор. кандидат физико-математических наук

В.П.Шалимов

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ктуальность теми

В последние годы метода исследования динамики атмосферы с эмошью активной доплеровской радиолокации получили широкое рас-ростране!ше. Это обусловлено преимуществами этих методов, пбз-эляющих исследовать и свободную атмосферу, и мощные облачные Зразовашш, дающие возмояатость получать характеристики исследу-шх процессов достаточно быстро и' на больших пространственных зсштабах. Наиболее часто для указанных целей используются им-ульсные когерентные РЛС, так как они позволяют наиболее просто змерять вместе со скоростью дальность цели. Большая часть всех-¡¡следований к настоящему моменту времени проводится с помощью аземншс РЛС. Все большее распространение получают. самолетные этода наблюдений. Такие радиолокационные средства позволяют Ефзктивно исследовать динамику атмосферных процессов на масшта-зх, ограничышых сверху конвективными размерами (порядка 10 км). ;нако ряд атмосферных процессов имеет пространственный зсштаб, превышающий конвективный. К таким процессам относится, зпример, крупномасштабная турбулентность. Для- исследования та-ix явлений необходимы экспериментальные данные, отражающие ди-змические характеристики атмосферы в широком диапазоне масшта-зв, начиная от конвективных и кончая глобальными. Решение этой эоблемы требует разработки новых методов исследования. Наиболее фспективным из них является использование доплэровской РЛС, зспологенной на космическом носителе. Создание системы косми-юкого доплеровского зондирования атмосферы предполагает реше-ю ряда концептуальных, алгоритмических и технических задач, ¡бота над созданием такой системы проводится в рамках научно-»хнической программы 0.74.02 "Космос" в соответствии с постано-юнием ГКНТ и Президиума АН СССР от 10 ноября 1985г. Н 573/137. | реализация позволит эффективно решать важные научные и народ-)Хозяйственные задачи, такие- как исследование крупномасштабной ■рбулентности, изучение механизма зарождения и развития тайфу->в, прогноз и предсказание погодыЯ

Характер сигналов доплеровской РЛС, отраженных от атмосферных ¡разований, предполагает для выделения полезной информации необ-(димость осуществления достаточно сложной статистической обра-1тки, выполняемой в резяме реального времени. Поэтому большое [ачение при проектировании информационно-измерительного комп-кса для доплеровской РЛС имеет оптимальный выбор алгоритма

обработки сигналов и способа его релизации с помощью вычислительных средств. К настоящему моменту времени существует ря, алгоритмических и технических решений реализации процесса обработки, хранения и отображения сигналов когерентной РЛС. Однако все-они ориентированы, в основном, на наземные средства наблюде ния. С точки, зрения построения системы обработки данных и и: интерпретации космический эксперимент имеет ряд существенны; отличий от наземных вариантов и требует для своего обоснован проведения отдельных исследований.

Цель работы и задачи исследований

Основной целью диссертационной работы является алгоритмичес кое и техническое обоснование системы обработки данных (СОД) ИВ] для измерений крупномасштабной атмосферной турбулентности о ис пользованием спутниковой доплеровской РЛС, а также разработк СОД на уровне архитектурно-структурных решений. Указанная цел предполагает решение следующих задач.

1.Исследование статистических свойств и параметров сигнало доплеровской РЛС, расположенной на космическом носителе и пред назначенной для измерений динамических параметров атмосферы.

2.Классификация алгоритмов выделения информации из сигнале доплеровской РЛС. Исследование их свойств с точки зрения возмож ности использования для обработки сигналов космической РЛС. Вы бор оптимального алгоритма по критериям статистической точност получаемых оценок и требуемых вычислительных затрат.

3.Исследование и классификация способов технической реализе ции системы цифровой обработки сигналов доплеровской РЛС. Разра ботка оптимального варианта для использования в ИВК научно исследовательского характера, предназначенного для проведэни измерений в реальном масштабе времени.

4.На основе выбранных алгоритмических и схемотехнических ре шений создание ИБК для проведения натурного эксперимента в тро пической атмосфере с борта научно-исследовательского суда (НИС): Получение, анализ и интерпретация натурных данных.

5.Теоретическое исследование статистических свойств оцено! получаемых при обработке сигналов космической доплеровской РЛС.

6.Исследование особенностей космического измерительного экс перимента с точки зрения их влияния на построение системы обра ботки сигналов. Разработка общей схемы СОД космического ИВК.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1.С помощью статистического моделирования исследованы то1

эстные характеристики алгоритмов оценивания второго момента шлеровского спектра сигналов с широким спектром, характерных пя проведения измерений из космоса. Получены новые результаты, эзволявдие оценить качество каждого алгоритма. Показано преиму-)ство алгоритма ковариационного оценивания.

2.Изучены разнообразные варианты технической реализации сис-)мы обработки сигналов доплеровской РЛС. Отмечет недостатки чествующих способов построения аппаратуры, предназначенной для )боты в реальном времени. Предложен новый способ построения, зновагашй на использовании проблемно-орионтироватюго нроцессо-) обработки сигналов, использование которого особенно эффектно в составе ИЗК научно-исследовательского характера, где жно сочетание требования высокой гибкости с простотой реализе-ш и использования.

3.На основе использования такого подхода был разработал, изловлен и испытан ноеый прибор - блок "Дсплер-2", предназначен-(й для быстрой реализации алгоритмов цифровой обработки сигна-1В, связанных с проведегагам многоканальных конвейерных вычисле-1Й. Использование блока в составе ИВК "Момент-2" при проведении дурного эксперимента в 1986 г. позволило получить новые ро-льтаты по пространственной и временной изменчивости структур-'й функции мезомасштабной турбулентности.

4.Исследованы статистические свойства оценок спектральных ментов, получаемых обработкой сигнала космической доплеровской С ковариационным методом.

б.Показана возможность получения статистически значимых оце-к динамическох параметров турбулентности атмосферы при прове-нии измер&шй из космоса. Сформулированы основные требования к строению СОД космического ИВК. Разработана общая структурная ема СОД ИВК. Получены точностные характеристики оценок.

Практическая ценность работы определяется следувдкм.

1.Разработанный процессорный блок "Доплер-2"' может быть ис-льзован при проведении доплеровских измерений, а также для ектрально-коррэляционного анализа широкого круга процессов, тречащихся во многих областях науки и техники - локации, ме-

щшее сейсмологии, управлении технологическими ' процессами и Ц.

2.Разработан пакэт прикладных программ, позволяющий моделиро-гь случайные сигналы с заданными характеристиками во временной частотной области, а таете различные эффекты цифровой обрзбот-, такие как дискретизация, квантование, округление. Такие

программы позволяют исследовать точность оценок параметров сигнала, получаемых с помощью различных алгоритмов обработки.

З.На основе проведенных исследований может бить создана сис тема космических измерений динамических параметров атмосфер в широком диапазоне пространственных масштабов.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы били использованы при соз донии ИВК "Момент-1" и "Момэнт-2", предназначенных для проведе 1ШЯ натурных измерений динамических параметров тропической атмо сферы в реальном масштабе времени. Натурные испытания ИВ! "Момент-3" в 1986 г. и ИВК "!.1омент-2" в 1988 г. прошли успешно В результате проведения экспериментов были получены поля отража омости1 первого и второго моментов доплоровского спектра. Тема тическая обработка информации, полученной в 1988 г., позволил получить новые данные по Еромешшм и пространственым свойства структурной функции мезомасштабной турбулентности. _____

Автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя выполнении двух хозяйственных договоров "Исследование и разро ботка элементов ИВК для экспериментальных исследований в квази-роальном масштабе времени" (номер гос. регистрации 0187009546Е и "Исследование и разработка элементов ИВК для первичной обрг ботки сигналов доплеровской РЛС" (номер гос. регистрацк 01850033119), в которых были использованы результаты диссертащ онной работы.

На защиту выносятся следующие положения.

1.Результаты сравнительного анализа оперативных алгоритме оценивания моментов спектра радиолокационного эхо-сигнала, отрг женного.от атмосферных образований.

2.Способ реализаций; аппаратуры для обработки сигнала доплор вской РЛС 'и его воплощение в конкретное устройство, позво.ишак получить новые результаты по исследованию мезомасштабной атмс сферной турбулентности.

3.Алгоритмическое обоснование метода измерений динамическ параметров атмосферы с помощью доплеровской РЛО.

4.Особенности построения системы цифровой обработки сигнал космической доплеровской РЛС.

Личное участие автора

Автором были выполнены исследование и сравнительный анал алгоритмических и технических средств выделения доплеровт информации из сигналов импульсных когерентных РЛС. Автор прига мал участие в подготовке натурного эксперимента по исследован]

инамики тропической атмосфоры с помощью доплэровской РЛС, рас-олокенной на НИС. В частности, автор разработал, ' изготовил и ровел лабораторные испытания макета спэциаллзированной аппара-уры для обработки доплеровских сигналов в реальном масштабе рвмени. Автором разработан пакет прикладных программ статиста-' еского моделирования, позволящнх исследовать аппаратурную.и татистическую точность оценок спектральных моментов, получаемых

помощью цифровых методов обработки сигналов. , Автор принимал частив в исследовании специфики эксперимента по космическим оплероЕеким радиолокационным измерениям динамических характер истик атмосферы, в алгоритмическом и. техническом обосновании ОД бортового ИВК.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на вса-оюзной конференции "Проблемы - генерирования, ; обнаружения и эф-экгивного использования сложных сигналов** (г.Киев, 1982 г.), на сесоюзной школе-семинаре "Статистические метода обработал сиг-алов и изображений" (г.Новороссийск, 1S91 г.), научных семкна-ах ИКК АН СССР, ГГО, МЭИ.

Публикации .

Результаты диссертационной работы наили свое отраженно в. 8 эчатных работах. '

Обьем и структура работа

•Диссертационная работа излозкена на 128 страницах,, их них 87 границ текста, 30 рисунков на 28 страницах, и состоит из введешь 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 72 яаи-снования, и приложения..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена, суть рассматриваемой проблемы, обосгюва-?| актуальность теми диссертация, ; сформулирована, цель работы, гложенн основные полокония, выносимые на завету, научная нсвиз-а и практическая' ценность полученных результатов, кратко анно-яровано содержание работы.

В первой' главе отражены результаты сравнительного . анализа Кектизности различных алгоритмов оценивания моментов спектра в лучее обработки сигнала, спектральные параметр! которого соог-этствуст наблюдениям атмосфзрМ' о помощью космической когерент-эй РЛС, а также результата по анализу и-.систематизации средств ифровой доплеровской обработки сигнала.

В первом параграфе системэткзироваш основные свойства эхо--

- б -

сигналов активной импульсно-доплеровской РЛС при ее испольаовг ; нки для исследования атмосферных образований. Синфазную и квад ратурную составляющие сигнала с выхода фазового детектора Р.! •■'.можно считать гауссовыми продессаш с нулевым средним значениеь ,' Я сигналу, отраженному от ансамбля отражателей, в приемном траг .те РЛС добавляется аппаратурный шум, который в первом приближе нии можно такие считать гауссовым. Отношение сигнал/шум для ме .■ тэорологических наблюдений меняется в широком диапазоне значе ' гай. • Стационарность и эргодичность рассматриваемых процессе .зависит от того, насколько меняется ансамбль отражателей, распс ,локенный в пределах разрешаемого обьема, в течение времени нас ■■людения. В случае наземных наблюдений имеется возможность выбо^ параметров радиолокационной систеш, '"обеспечивающей в первс приближении стационарность исследуемых процессов.

■ Форма спектра сигнала, отракенного от метеообразования, опр 'делается не столь однозначно. При выполнении достаточно обще условий ее мошо принять гауссовой, хотя в ряде случаев1 наблкц лись спектры иной формы. Спектр аппаратурного шума в рамках рас сматриваемой задачи.можно считать равномерным в полосе частот.'

Во втором параграфе рассмотрены алгоритмы оценивания момент* спектра, пригодные для использования в режиме реального времеш т.е. обладающие малым обьемом требуемых вычислительных, затрат Их можно подразделить на 2 группы: алгоритмы, оценивающие искс мые параметры по характеристикам процесса во временной обласп ' и использующие для этой цели ту или иную оценку спектральнс плотности мощности. Среди алгоритмов спектральной группы рассмс трен метод периодограмм. Согласно этому методу, первым шаге является определение периодограммы временного ряда, т.е. получе ние оценки спектра сигнала методом дискретного преобразован! Фурье. Обычно для этой цели используются алгоритмы быстрого пр( образования Фурье (БПФ). Оценки спектральных моментов далее п< лучаются с помощью интегрирования оценок спектра. .

Среди методов, использунцих обраоотку сигнала во времен» области, рассмотрены 4 метода: метод ковариационного оцениванш использующий вычисление комплексной автокорреляционной фуакщ процесса на лаге 0 и 1; знаковый метод, использупций оценки зн: ковой корреляционной функции; метод, основанный на измерен) частоты выбросов (ИЧВ), и метод измерения модулой разностей прс цесса (ШР).

В третьем параграф отражены результаты сравнительно; анализа эффективности рассмотренных алгоритмов, исходя I

!ьема требуешь вычислительных затрат и точности статистических, ¡рактеристик оценок моментов спектра.

С точки зрения возможности использования в ре жиг/э реального эомэни преимуществом обладают метода ИЧВ, 1ИР, знаковый, на зебухадие реализации (лного,разрядного умножения.

Для определения точности оценок в данной главе был применен )тод статистического моделирования обрабатываемых сигналов, )торый заключался в задании параметров сигналов в спектральной 5ласти и получении временной выборки сигнала с помощью 5ратного БПФ. Результаты моделирования показали, что наилучшие 5рактеристики . в области широких спектров сигнала и при малом сношении сигнал/шум (ОСШ) имеет метод ковариационного аднивания.

В четвертом параграфу Еылолнен сравнительный анализ и предло-эна классификация способов технического построения цифровой асти СОД доплеровской РЯС.

Существующие методы реализации системы цифровой обработки шлеровских сигналов можно классифицировать на три группы: ^пользование универсальных ЭВМ, универсальных процессоров афровой обработки сигналов и жестко-специализированных, зтройств. Последние два метода допускают применение в рехиме зального времени, однако., они не обеспечивают одновременно ябкоеть и простоту в реализации и использовании в составе ИВК аучно-исследовательского характера. Предложен новый подход к эализации СОД доплеровской РЛС, более полно удовлетворящий гам требованиям. Он основан на применении проблемно-риентированшх процессоров сигналов, предназначенных для ресли-эции алгоритмов обработки, требующих проведения многоканальных , энвейеркых вычислений с накоплением результатов.

Вторая глава посвящена вопросам построения ИВН, позволяющего роводить доплеровские измерения динамических параметров атмос-эры в роальном масштабе времени. .

В первом параграфе сформулированы основше принципы построена ИВК "Мойент-2п, а также требуемые функциональные возможности эмплекса. Показано, что при построении ИВК для проведения морс-их радиолокационных исследований наиболее эффективно использо-аниэ концепции двухуровневой иерархической структуры. На никнем ровне распологена аппаратура, реализующая процесс дошюровских амереняй и управляемая контроллером. На верхнем уровне находит-я ЭВМ, обладающая достаточно мощными программно-аппаратный редствоми. Такая структура обладает большой гибкостью и способ-,

ностью к наращивании без существенных архитектурных доработок.

Во втором параграфе описана структурная схема ИВК "Момент-2" Он состоит из крейта КАМАК со специализированной аппаратуро! (нижний уровень иерархии), ДВК-3 (контроллер нижнего уровня) ] управляющей ЭВМ "Злектроника-85"(верхний уровень). .Верхний ] нижний уровни пространственно разделены и соединены помехоустой чивой волоконно-оптической линией связи.

В третьем параграфе рассмотрены вопросы построения специали зированной аппаратуры вычисления моментов спектра, изложены наз . начение, особенности построения и состав блока "Доплер-2".

Елок "Доплер-2" предназначен для реализации некоторых виде обработки сигнала во временной области. При этом входной анало говый сигнал сначала преобразуется в цифровую форму, затем на цифровыми отсчетами производятся основные операции по реализаци заданного алгоритма. Устройство предназначено для работы в ре альном масштабе времени и допускает высокую частоту дискретизе ции (до 800 кГц) входного сигнала.

Структура операционной части блока обладает большой габкост) и может быть настроена на реализацию широкого круга алгоритмов.

Основным вариантом использования блока является многоканал] ное вычисление комплексной ковариационной функции с лагом 1 лагом 0. Оценки АКФ вычисляются по цифровым отсчетам квадрату] ного радиолокационного сигнала и далее используются для оценив« ния первого и второго моментов спектра.

В рассмотренном варианте .использования блока "Доплер-2" ре лизованы следующие технические характеристики.

1.Входная информация- квадратурный аналоговый сигнал о ампл тудой до 2 В, импульсы синхронизации с амплитудой до 10 В. и. цифровой сигнал, соствящий из комплексных 16-разрядных отсчето: поступающих из магистрали КАМА1С.

2.Длина выборки цифрового сигнала- до 256 отсчетов.

3.Количество каналов дальности- до 256.

4.Минимальное время обработки одного канала- 3,3 мке, ч соответствует пространственному "^разрешению примерно 500, м л

5.Выходная информация- 16-разрядные значения комплексной М средней мощности входного сигнала, считываемые на магистра КАМАК.

Другим вариантом использования блока является, например, е числение комплексной ковариационной функции на множестве заде хек. Кроме рассмотренных выше вариантов использования, бл "Доплер-2" может обеспечивать вычисление других хврвктеристи

например, частоты выбросов или модулей разностей процесса.

В четвертом параграфе проводен анализ точности оценок, получаемых с помощью ИВК "Момент-2".

Для исследования погрешностей, связанных с цифровой обработкой сигнала, использовалась методика моделирования видеосигналов РЛС, описанная в главе 1, дополненная моделированием эффектов квантования и округления произведений при вычислении корреляционной функции.

Полученные зависимости среднеквадратической погрешности оценивания второго момента с помощью блока "Доплер-2" от ширины спектра сигнала при фиксированной средней частоте и различных значениях ОСШ позволяют оценить статистическую точность полученных с помощью ИВК "Момент-2" радиолокационных данных. Характерные значения ширины спектра метеорологического сигнала составляют величину порядка 1-4 м/с. При ОСШ^бдБ среднеквадратическая ошибка оценки но превышает БОсм/с. Такая же величина погрешности соответствует и более широким спектрам - до 8м/с. Существенное ухудшение точности наблюдается при уменьшении ОСШ и при ширине споктра, большей 8м/с и меньшой 1м/с. При ОСШ^бдБ можно считать, что на всем диапазоне ширины спектра сигнала точность измеренных характеристик не хуже 1м/с.

В пятом параграфе обсуждены результаты натурного эксперимента. Натурные испытания с использованием ИВК "Момент-2" проводились в тропической части Тихого океана с помощью доплеровской РЛС 3-см диапазона, установленной на НИС. Результатами исследования были двумерные полЛ доплоровских характеристик (нулевой, первый и второй моменты доплероЕского спектра радиальных скоростей) в координатах азимут-дальность. Пространственные разрешаемые обыэ-мы на ближних дальностях составляли Зкм1х600м, на больших дальностях - 0,75км1х€00м. Время анализа атмосферных образований составляло порядка 1-2 часов.

Обработка и интерпретация первичных радиолокационных данных позволили получить новые результаты по исследованию структурных функций мезомасштабной турбулентности. Обнаружен ряд особенностей пространственного и временного поведения структурных функций первых шести порядков. Получены оценки параметров временной эволюции структурных функций, связанные с появлением и исчезновением пространственных деталей. Временные интервалы трансформации составляют величину порядка минуты на масштабах 10-15км.

В третьей главе обсуждается специфика космического эксперимента с точки зрения ее влияния на параметры и свойства эхо-

сигналов спутниковой когерентной РЛС. Представлены результаты анализа статистических характеристик оценок спектральных моментов для сигналов, ширина споктра которых близка к частоте Найк-шста.

В первом параграфа, исследованы схема космических измерений турбулентности и особенности сигналов.

lía космической • платформе установлена импульсно-доплеровская РЛС, облучашая столб атмосферы перпендикулярно направлению движения носителя. Отражонный сигнал должен быть принят РЛС и обработан таким образом, чтобы получить статистически значимые оценки моментов доплеровского спектра скоростей рассеивателей, распределенных в разрешаемом обьеме пространства. В первую очередь, интерес представляет второй момент спектра, функционально связанный с энергией турбулентности.

В самолетных, и особенно в космических экспериментах, разрешаемый обьбм пространства как бы размазывается вдоль траектории движукия носителя из-за высокой скорости последнего. Поэтому . рассматриваемые процессы нельзя считать строго стационарными. Кроме того, в рассмотренной схеме измерений существуют механизмы искажения частотно-временных свойств принятого сигналаt связанные с движением носителя. Их можно подразделить на три группы:

- гффекгы, связанные с нестабильностью орбиты носителя;

- эффект "смены отражателей", связанный со смещением разрешаемого объема в пространстве за время меяду двумя соседними импульсами запуска PJICí

- эффект, связанный с непараллельностью пучка зондирования РЛС. • ■ '

Основное воздействие этих факторов на характеристики принятого сигнала заключается в уширешш доплеровского спектра сигнала. Причем, результирувдий спектр равен свертке отдельных спектров, соответствующих флуктуациям, связанным с каждым из рассмотренных факторов, - Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что при оптимальном выборе параметров радиолокационной системы зондирования это утирание имеет величину, примерно равную 0,8 от частоты Найквиста.

Во етором параграфе, отршконы методы исследования статистических свойств оценок моментов спектра,, полученных по ковариационной функции.

Как правило, точные аналитические выражения для дисперсии и математического ожидания случайных величин, полученных о помощью достаточно сложных преобразований, недоступны. Поэтому на прнк-

тике для га определения используют приближенные метода. Для приближенного решения этой задачи были использованы три разллчшх методики- ликеариз&ция функций,1 прямое интегрироэапке и статистическое моделирование. Анализ статистических характеристик оценок, полученных рааличными методиками, показал хорошее согла-, сование результатов в широком диапазоне изменения параметров, сигнала.

В третьем параграфе обсуздьны результаты исследования статистических характеристик оценок спектральных моментов для сигналов, космической доплеровской РЛС. '

Описанные выше методики позволяют определить математическое ожидание и дисперсию оценок спектральных моментов для гауссовых процессов, обладающих различными характеристиками. Точность оценки зависит от трех факторов: ширины спектра входного1 сигнала, ОСШ и длины выборки. Было исследовано влияние каждого ив пих. В результате проведенного.анализа было установлено, что определяющим фактором для 'характеристик оценки является отношение математического ожидания оценки ковариационной функции к ее средноква-дратическому отклонению (СКО)- а/сг. Если а/сг<1, то свойства оценок при любых значениях ширины спектра примерно одинаковы и близки к свойствам оценок, полученных для белого шума. При этом характерным является то, что смещение оцонки превышает по абсолютной величине СКО. Получить статистически значимую оценку не представляется возможным. Если а/сг>1, то преобладают регулярные, информативные свойства сигнала. Смещение оценки становится меньше, чем СКО. Чем больше отношение а/сг, тем более хорошую оценку можно получить. Отношение а/сгк1 является пороговым значением, определяющим границы характеристик сигнала и системы его обработки, при которых еще можно получить статистически значимую оцежу.

Проведенные исследования показали, что при некоторых типах не стационарности исследуемого процесса, связанных с изменением спектральных характеристик во времени, сохраняется возможность получения статистически значимых оценок средних по времени наблюдения величин моментов спектра.

Основное практическое значение полученных результатов заключается в том, что они позволяют при известных параметрах сигнала определить требования к системе обработки, обеспечивзквдо получение оценок с заданной точностью, а также оценить точность оценок при ограничениях, накладываемых на характеристики екгнала и систему его обработки.

. ■ - 12 -

Целью четвертой глаш являэтся разработка общей схемы построения системы обработки сигналов космической доплеровской РЛС.

В первом параграфе сформулированы общие требования' к системе обработки данных космического ИВК.

■Во втором гарзграДе рассмотрены особенности построения СОД, ¿вязанные с проведением измерений из космоса.

..' Разработана временная диаграмма работы ИВК, обеспечивающая оптимальную величину пространственного разрешения. Показана необходимости реализации бортовой системы регулировок, основанных на ; шалгзе сигнала, отраженного от подстилающей поверхности. Предложен способ построения цифровой части СОД. Разработана разрядная сетка,представления чисел в процессе обработки, позволяющая' пренебречь цифровыми ошибками по сравнении со статистическими. Определена точность получаемых оценок в зависимости от длины выборки накопления. Разработана общая структурная схема устройства, обработки данных, обесгочиваюцая следующие основные характеристика: пространственное разрешение но высоте - 50£>д. Количество .каналов высоты - 20, диапазон исследуемых пространствешщ Масштабов сдоль траектории движения носителя - от величины порядка 1нм до масштабов земного шара, частота зондирующих импуль-, гюа'. - 15кГц,. точность оценивания ширины спектра на масштабах,-'.усражения порядка 150 км - 10см/с, на масштабах порядка 1км ~

1,5м/с,.точность оценивания первого момента на масштабах 150 км

- < • л 1 .,' ■ . . .

р заключении отражены основныо результаты работы.' Г.Ня основе модифицированной методики статистического моделирования метеорологических сигналов проведен сравнительный анализ точностных характеристик оперативных алгоритмов оценивания моментов доплеровского спектра, который в отли-ше ог ранее прово* дазшихся шэрвье основывался на исследовании сигналов с широкими гпрхграчи, при. которых, существенными становятся эффекты наложения . .частот' при дискретизации. Полученные результаты позволяют сделать йывод о том, что наилучшие характеристики имеет алгоритм кбьаряациснного оценивания. ^

2.Проведен сравнительный анализ вы-шыштельных средств, применяющихся Для цифровой обработки сигнвлое доплеровских РЛС. В ра-вультатз анализа сала составлена класстяфк&ция способов построения системы обработки данных при доплеровских радиолокационных измерениях. • Предложен новый "подход- применение проблемно-сриантироуашшх устройств: для обрзОспси сигнала. которые ненамного .фрвах^от урсвекь аппаратурных аеграт хеоткоспециализиро-

ванных устройств, обеспечивая при этом требуемый уровень гибкости. Использование таких устройств особенно оффективно при построении ИВК научно-исследовательского характера, которые долиты обладать гибкой, не фиксированной структурой, способной к наращиванию опорационных ресурсов, настройке на изменяющиеся условия проведения эксперимента,и вместо с тем состоять из аппаратуры, обладающей малой стоимостью, простотой в реализации и вксплуата-ции, надекностью в работе.

З.На основе Еыработаниого подхода к обработке дзплеровских радиолокационных данных бил рязработан, реализован и испытан новый ппибор- проблемно-ориентированный процессорный блок для обработки сигналов "Доплер-2". В результате натурного эксперимента, проведенного в 1988 году в тропической зоне Тихого океана, были получены поля доплеровских характеристик атмосферы (нулевой, первый и второй моменты доплеровского спектра). Их дальнейшая обработка и интерпретация позволила получить новые результаты но временной и пространственной изменчивости структурной функции турбулентности.

3.Исследованы характеристики алгоритма ковариационного оценивания для сигналов с широкими спектрами. С помощью приближенных математических методов, подтвержденных данными, полученными с помощью статистического моделирования, были получеки новые результаты, характеризующие зависимость точностных характеристик метода от различных факторов- ОСШ, длина выборки, ширина спектра. Они позволяют определить точностные характеристики выходных данных системы обработки в зависимости от характеристик обрабатываемого сигнала и величины пространственного масштаба усреднении.

4.Разработана структура построения СОД космической доплеровской РЛС, которая обеспечивает возмокность исследовать динамику атмосферы на широком спектре пространственных масштабов, начиная с 1км и до величины порядка 1000км.

Основные публикации по теме диссертационной работы:

1.Федулов A.C., Клепиков И.Н. Когерентная цифровая обработка сигналов метеолокаторов.// Препринт ИКИ АН СССР. Пр-1605.- М.. 1Р89.- 24с.

2.Федулов A.C. Цифровой процессор для корреляционной обработки сигнала// Препринт ИКИ АН СССР. Пр-1610.- М., 1990.- 24с.

3.Ватутин С.Ф., Клепиков И.Н., Федулов A.C. Информационно-вычислительшй комплекс для доплеровской РЛС.// Препринт ИКИ АН СССР.- Пр.-1042. м. 1989.-20с.

4.Ватутин С.Ф..Клепиков И.Н., Моисеев С.С., Покровская И.В., Фчдулов A.C., Шарков Е.А. Доплеровские исследования особенностей мезомасшгабной турбулентности в тропической атмосфере.// Препринт ИКИ АН СССР.- Пр.1712. М., 1990.- 37с. б.Ииформационно-шчисжтельный комплеко для дошюровской РЛС.// Фундаментальные науки- народному хозяйству.-М., Наука, 1990.-о.2Б.

б.Каевченко М.А., Малахов В.В., Федулов A.C., Борисов В.Б. Устройство обмена моссив;ми данных мевду интерфейсами КАМАК и Olli.// Микропроцессорные средства и системы.- 1989, N 6.-с.72.

7„Клепиков И.Н., йодулов A.C« Спутниковое измерение спектраль-

■jux характеристик турбулентности атмосфере» Тезисы докл. школн-садинара * Статистические методы обработки сигналов и изсйрахзний. Новороссийске 12-16 сентября 1991гв" М.» 1991,-с.51-62.

8.Федулов А;С« Сравноние алгоритмов выделения доилеровскоЕ информации для сигналов с широким спектром . Тезисы докл. ижсян-семинара " Статистические метода' обработки сигналов и изображений. Новороссийск» 12-16 сентября I99Ir." М., 1991,-о. 104;