автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование влияния состояния поверхности акваторий на точностные характеристики прецизионного радиовысотомера космического базирования

На правах рукописи

РГБ ОД

1 2 СЕН 2Ж

Морозов Кирилл Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ АКВАТОРИЙ НА ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕЦИЗИОННОГО РАДИОВЫСОТОМЕРА КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы

и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических приборов Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель - д.т.н., доцент Баскаков А.И.

Официальные оппоненты - д.т.н., старший научный сотрудник

Ведущая организация- Институт океанологии им. П.П. Ширшова

РАН (отдел экспериментальной космической океанологии)

Защита состоится -Л » ШНЯ Шо г. в часов на

заседании диссертационного совета К-053.16.13 Московского энергетического института (Технического университета) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан " //" 20 ор Г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Неронский Л.Б.

к.т.н., доцент Волковский А.С.

ЪЗ-Мс ¿V о

кандидат технических наук

'урочкина Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследования динамической топографии поверхности океана по данным космических съемок, полученные с помощью радиосистем дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли, проводятся в настоящее время в большинстве стран, имеющих свои космические программы. С увеличением точности измерения, радиовысотомеры стали находить более широкое применение в подобных системах, в частности, для оценки состояния морской поверхности и ее топографии. Поэтому возникла потребность в улучшении точностных характеристик прецизионных

радиовысотомеров (ПРВ) космического базирования.

Связь между поверхностными характеристиками моря и параметрами обработанного радиосигнала обеспечивается либо усредненной отраженной мощностью, как функции времени при временной обработки сигнала в ПРВ, либо формой усредненного спектра сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы при обработке в частотной области. Если характер и величина искажений формы эхо-сигнала остаются неизвестными, то это приводит к погрешностям при оценке параметров отраженного сигнала. Детальное рассмотрение указанных искажений позволяет выявить погрешности измерения высоты полета, топографии морской поверхности и высоты морских волн.

Для зондирующих радиоимпульсов с наносекундным разрешением ранее было доказано, что при вычислении усредненной формы отраженного от морской поверхности сигнала следует учитывать нормальный закон распределения ординат морских волн.

Однако, тщательные океанографические измерения показывают, что этот закон отличается от нормального закона и имеет асимметрию и

эксцесс. Кроме того, анизотропия морской поверхности, связанная со скоростью и направлением поверхностного ветра вызывает асимметрию и эксцесс распределения наклонов морских волн, что должно проявляться в диаграмме обратного рассеяния морской поверхности. В связи с этим, разработанные ранее отечественными и зарубежными учеными модели отражения наносекундных СБЧ радиоимпульсов от морской поверхности, нуждаются в уточнении и доработке. Существующие модели не позволяют в полной мере сделать выводы о влиянии принятой модели на характеристики ПРВ. В известной литературе отсутствуют также обобщающие работы, посвященные теоретическому и экспериментальному исследованию точностных характеристик ПРВ при зондировании морской поверхности радиосигналами сложной формы с наносекундной разрешающей способностью и при широком диапазоне вариаций исходных данных. Все это делает актуальной выбранную в диссертации тему исследований и позволяет сформулировать цель работы.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является анализ точностных характеристик прецизионного радиовысотомера космического базирования в зависимости от состояния взволнованности морской поверхности при широкой вариации исходных данных, связанных с параметрами ПРВ и режимом облучения, а также исследование возможности повышения точности измерения высоты.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие научно-практические задачи.

Во-первых, получена модель отраженного от морской поверхности эхо-сигнала, которая учитывает последние уточненные данные о статистических характеристиках объекта отражения. Эта модель

позволяет проводить исследование тех статистических характеристик обрабатываемого сигнала, от которых напрямую зависит точность ГТРВ (корреляционная функция быстрых флуктуации, средняя мощностная огибающая эхо-сигнала при временной обработке, средний спектр флуктуаций сигнала биений при обработке в частотной области, взаимная корреляционная функция межаериидныл флуктуаций). Кроме того, эта модель работает в широком диапазоне исходных данных, не ограниченных условиями, в рамках которых ранее проводились исследования.

Во-вторых, проведен анализ статистических характеристик отраженных сигналов для уточненной модели поверхности при наличии отклонения оси диаграммы направленности антенны (ДНА) ПРВ на угол превышающей ее ширину. Поскольку оценка параметров отражающей поверхности проводиться с орбиты искусственного спутника Земли, то для получения оперативной информации о динамической топографии поверхности, желательно иметь достаточно большую зону обзора ПРВ. Решение этой задачи возможно при наличии сканирования ДНА или при многолучевой антенной системе ПРВ. В обоих случаях величина отклонения оси ДНА от вертикали должна составлять не менее нескольких ширин ДНА.

Для исследования точности ПРВ были получены конкретные данные о статистических характеристик отраженных сигналов при широком диапазоне вариаций исходных данных для уточненной модели и отклонения луча диаграммы направленности ПРВ. Для этого был разработан пакет прикладных программ и проведены расчеты на персональной вычислительной машине.

В-третьих, после получения данных о точностных характеристиках ПРВ, была исследована их зависимость от состояния морской

поверхности, с учетом вышеизложенных уточнений. Полученные таким образом результаты позволили сделать конкретные выводы о наиболее целесообразной структуре построения многофункционального ПРВ.

В-четвертых, проведено моделирование информационных сигналов и процесса обработки в ПРВ на ПЭВМ для того, чтобы дать окончательные рекомендации по схемотехническим решениям и выборе основных характеристик ПРВ. Кроме того, некоторые теоретические выводы были подтверждены имеющимися экспериментальными результатами, полученными в натуральных самолетных испытаниях.

Объект и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны:

1) радиотехническая система дистанционного зондирования морской поверхности, работающая в 2-х сантиметровом диапазоне в режиме ограничения по интервалу разрешения зондирующего сигнала и базирующаяся на искусственном спутнике Земли;

2) следящие измерительные системы на основе квазиоптимальных интегрального и локального дискриминаторов;

3) измерительная система на основе комбинированного дискриминатора, предложенная автором.

Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются:

• теория статистической радиофизики, а именно метод феноменологического моделирования;

• теория оптимальной обработки сложных радиосигналов;

• теория радиотехнических следящих систем;

• методы теорий вероятности, случайных процессов и математической статистики;

• методы математического моделирования на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационных исследований заключается в следующем:

1) В работе впервые была получена уточненная модель отражения радиосигнала ПРВ от морской поверхности, позволяющая учесть как явление анизотропии поверхности, так и отклонения в законе распределения ординат морских волн от нормального.

2) Проанализированы статистические характеристики отраженных сигналов для уточненной модели и при отклонении оси диаграммы направленности антенны ПРВ на угол превышающий ее ширину, которые показали, что при этом существенно изменяются энергетические характеристики ПРВ и форма сигнала. Данные результаты необходимы для разработки многолучевых или сканирующих ПРВ с расширенной зоной обзора.

3) Предложена и исследована структура комбинированного дискриминатора ПРВ, позволяющего достичь близких к оптимальным флуктуационных погрешностей измерений при минимальных систематических ошибках.

4) Впервые был сделан комплексный анализ точностных характеристик ПРВ для уточненной модели поверхности при различных режимах облучения поверхности, выбранных параметрах ПРВ и состояниях морской поверхности для чего разработан пакет прикладных программ расчетов на ПЭВМ. До настоящего момента подобных данных в литературе не было.

Практическая ценность работы и ее реализации. Результаты работы нашли свое практическое использование в научно-исследовательской работе №1128980/С728-5/98, а также были использованы при выпуске научных отчетов по теме "Исследование и разработка принципов построения космических комплексов

дистанционного зондирования для прецизионного восстановления рельефа поверхности Земли", которая проводилась на кафедре «Радиотехнических приборов» МЭИ (ТУ) по межвузовской научной программе "Критические технологии, основанные на воздействии и распросранении потоков энергии", головная организация Московский Физико-технический институт (МФТИ) в 1998-1999г. Получен акт об использовании результатов диссертационных исследований в данной НИР.

Полученные результаты в работе доведены до практических рекомендаций и могут найти применение в академических, научно-исследовательских и опытно-конструкторских организациях, занимающихся исследованиями и разработкой спутниковых радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, а именно: Институт Радиотехники и Электроники Российской Академии Наук (ИРЭ РАН), Институт Космических Исследований Российской Академии Наук (ИКР! РАН), Институт океанологии им. П.П. Шершова Российской Академии Наук, Ракетно-Космическая Корпорация "Энергия" им. академика С.П. Королева, Научно-исследовательский институт Точных приборов (НИТП), Особое конструкторское бюро Московского Энергетического института (ОКБ МЭИ), Научно-промышленное объединение «Машиностроение» (г. Реутов, Московская область).

Результаты работы используются также в учебном процессе на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ) при чтении дисциплин, установленных Ученым Советом для выбора студентов, в преддипломных курсах, при курсовом и дипломном проектировании.

Публикации и апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты отражены в 11 публикациях, в том числе: в

тезисах и сборниках трудов 2-х Московских, 2-х Всероссийских, и 4-х Международных научных конференциях и симпозиумов, в 3-х статьях в научно-техническом журнале «Исследование Земли из космоса», а также 4-х отчетах по выполненным НИР.

Апробация диссертационных исследований проводилась на различных научно-технических конференциях и семинарах в том числе, па московской научно-технической конференции МЭИ, 1995 года; на московской научно-технической конференции "Проблемы радиоэлектроники - 96" МЭИ; на международных симпозиумах по космической связи и дистанционному радиозондированию в г.Сиан, Китай, 1995, 1997 гг.; на 5-ой и 6-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов в 1999 и 2000 году; на 54-ой научной сессии, посвященной дню радио, Москва 1999г.; на Ш Всероссийской научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов исследования природной среды" (г. Муром), а также на научных семинарах кафедры "Радиотехнических приборов" МЭИ (ТУ). Результаты и выводы работы нашли поддержку и были одобрены.

Структура и объем работы. Перечисленные выше положения раскрываются в материалах диссертационной работы, изложенной на 114 страницах машинописного текста, иллюстрированного 64 рисунками. Полный объем работы составляет 201 страницу. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, 20 страниц приложений и списка обозначений.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Математическая модель дистанционного зондирования морской поверхности ПРВ космического зондирования, построенная с учетом

уточненных данных о законе распределения ординат морских волн и анизотропии поверхности моря из-за наличия ветра.

2. Статистические характеристики отраженных от морской поверхности радиосигналов с наносекундной разрешающей способностью, полученные для уточненной модели и возможного отклонения оси ДНА на угол, превышающей ее ширину.

3. Точностные характеристики следящей системы с квазиоптимальным дискриминатором, их зависимость от состояния поверхности моря и параметров уточненной модели.

4. Структурная схема следящей системы с комбинированным дискриминатором.

5. Точностные характеристики следящей системы с комбинированным дискриминатором, их сравнение с характеристиками известных систем с учетом уточненных данных о законе распределения ординат и анизотропии моря.

6. Результаты моделирования исследуемых систем на ПЭВМ с использованием разработанных пакетов прикладных программ, позволяющих проводить расчеты при широкой вариации исходных данных.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается современное состояние космической прецизионной радиовысотометрии, обосновывается актуальность исследуемой проблемы, формулируются цели и задачи работы, отмечается ее новизна и практическая ценность, перечисляются основные положения выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена связи уточненных океанографических данных с моделью отраженного сигнала ПРВ. Особо выделяются анизотропия морской поверхности и

отклонение от нормального закона распределения ординат. Из специальной литературы приведены сведения о коэффициентах эксцесса и асимметрии для законов распределения ординат и наклонов морской поверхности при различных степенях взволнованности. С учетом этого, используя феноменологическую модель и модель отраженного сигнала по методу свертки, проводится вывод уточненной модели отраженного сигнала ПРВ. Результатом этого вывода является выражение (1), которое описывает форму информационного сигнала ПРВ при обработке во временной области:

Р(*) = Рга(0). J-J--

-W27r°C

при т<0,

PW=PBM-J-

1 + —-Н,

vacV2y

24

f ~ л х

Часл/2У

•ехр

2о*.

1 + --Н-

vacV2,

+ Ks Н

/ ~ \ X

vccV2,

•ехр

/

dx

dx

при х>0,

(1)

где ас

и 4 Г2^

Гт4 с

■ длительность импульса на выходе приемника

по уровню 3 дБ при воздействии на его вход дельта-функции, <Jz — среднеквадратичное отклонение ординаты поверхности; Л-коэффициент асимметрии, а Ks - коэффициент эксцесса распределения ординат, Н3 и Н4- полиномы Эрмита 3-ей и 4-ой степени,

Р Гту.0^2-Ро-НК,|2 f. Л„(ф) ( [J^T),KD ( PfsW- (4л)3 -Lp•h4 -aj, J 1 + —'H\~ih ..L/l4"H\-Vh^r

■exp^---

Y

sin2 ^ + — -cos 22; + — -sin2 E, - sin2(ф- ф)- J— - sin-««(ф - ( h h V h

a'h

И

- импульсный отклик от квазишероховатой поверхности, Ь - высота ИСЗ; £, - угол отклонения оси ДНА от вертикали; ф - угол между осью ОХ принятой системы координат, развернутой по направлению действия ветра, и проекцией оси ДНА на поверхность моря; Ьр - потери

х

6

с

на распространение; 00 - коэффициент усиления антенны; |к0|-коэффициент Френеля для отражающей поверхности; с - скорость распространения, а X - длина электромагнитный волны; Р0— излучаемая передатчиком мощность; а* - коэффициент шероховатости

Л0(ф) = Лд-втф- коэффициент асимметрии, а Кд - коэффициент эксцесса закона распределения наклонов поверхности.

Однако, для выбора параметров ПРВ необходимо знать функцию корреляции отраженного сигнала, которую предыдущая модель не дает. Поэтому далее выводится модель отраженного сигнала через вычисление корреляционной функции с использованием уточненных данных о морской поверхности. Для этого необходимо преобразовать исходное выражение корреляционной функции, представленого выражением (2),

где Р(<См,Фм,0- функция, учитывающая ДНА и ДОР морской поверхности, - доплеровский сдвиг частоты, а(ч^) - эффективная площадь рассеяния Ы-го отражателя, Тк - время распространения сигнала от К-ого отражателя, й(0~ комплексный закон модуляции. В результате было полученно выражение (3), которое позволяет проводить оценку корреляционных интервалов быстрых и медленных флуктуаций отраженных сигналов:

1п2

1 /Ы А;

■к'

(2)

|а;Ь4>/4дго*+1 V )

п ■ А

| 1Ь-Д0"ш М Г

24 3 \h-AQiJ

■ ■..,.2 1'.,, Л Г /- п.Л1

14 ч - и 1Ч5-и М-и Л ' и I 2 ^ I 1

+ Т + Гб + 128^+ [ 8л/2 • а3, ~ 2ч/2ст' [8 +'2

К5 Ьд К5Ь2

32-а* 8-

1, -

Л-Ь' 12^2-0

96-с:

I, +(2 -

2р!

сЬ

(3)

зондирующего импульса; Ь = -

2а1

Р,

(2РоХ20^)

полученной форме ши

птгЬг

онного сигнала и правомерности

рдр}

где ст,, = 2ч, /с, р - расстояние от точки проекции ИСЗ на поверхность моря до облучаемой точки; g = -v'0.5л■Дfc, Д^- длительность

Форма

48^+Г (4 4

информационного сигнала Р(Х) получается из (3) при замене

Далее сравниваются результаты моделирования, полученные с помощью обеих моделей и делается вывод об их идентичности по

внесения поправок, учитывающих параметры уточненной модели морской поверхности.

Во второй главе диссертационной работы проводится анализ статистических характеристик отраженных от морской поверхности сигналов. Проведенный с помощью полученной уточненной модели отраженного сигнала анализ корреляционной функции быстрых флуктуаций отраженного сигнала и отклонения оси диаграммы направленности антенны от вертикали показал, что деформация начального участка фронта отраженного сигнала минимальна и сводится к задержке смещения электромагнитного уровня морской поверхности относительно реального уровня. В связи с этим интервал

когерентного накопления отраженных сигналов определяется интервалом автокорреляции зондирующего импульса. Поэтому имеющийся в литературе вывод о необходимости использования фильтра согласованного с зондирующим сигналом для рассматриваемых режимов облучения близких к вертикальному подтверждается и при уточненной модели поверхности. Однако исследование в более широком диапазоне не проводилось, хотя приведенный аппарат позволяет это сделать.

Анализ корреляционной функции межпериодных флуктуаций отраженного сигнала для уточненной модели поверхности позволяет правильно выбрать время осреднения в следящей системе ПРВ. Рассматриваемые случая показали возможность и целесообразность использования системы с перестраиваемым периодом повторения зондирующих сигналов в зависимости от степени взволнованности морской поверхности. Показано, что с ростом степени взволнованности морской поверхности корреляционный интервал межпериодных флуктуаций отраженных сигналов заметно падает. Это позволяет увеличить частоту повторения при фиксированном времени осреднения в следящей системе, и в свою очередь уменьшить флуктуационные ошибки измерения высоты, которые возрастают с ростом волнения.

Получено и исследовано выражение для усредненного спектра сигнала биений на выходе смесителя при корреляционно-фильтровой схеме обработки в частотной области. Сравнение корреляционных и спектральных характеристик эхо-сигнала при временном и частотном методах обработки подтвердили вывод о том, что при использовании в качестве зондирующего сигнала с ЛЧМ, оба метода приводят к одинаковым результатам и описываются идентичными выражениями,

что объясняется наличием линейно частотно-временной связи для радиоимпульсов с ЛЧМ.

Оценка энергетических характеристик ПРВ при отклонении оси антенны от вертикали, представленная на рис.1, позволила сделать вывод об ограничении максимального угла отклонении величиной £=2,5дул, т.е. зона обзора сканирующего ГЕРБ будет ограничена величиной ±2,511 ДС>Л.

О

20

Рт/Ртах, дБ

40 60

0 0.5 1 1.5 ?/ДОш 2 2.5

Падение мощности отраженного сигнала ПРВ при отклонении

ДНА от вертикали. Исходные данные: Ь=700км; ДГс=320МГц;

Л<3Ш=2°; сг2— 2 м, аш2 = 0,1 рад2.

Рис.1.

В третьей главе работы приведена типовая схема ПРВ и показано, что центральное место с точки зрения точностных характеристик ПРВ занимает дискриминатор следящей системы. В связи с этим дальнейшие исследования посвящены вопросу выбора наиболее подходящего дискриминационного устройства. Приводятся известные из научной литературы данные об оптимальном дискриминаторе ПРВ, который позволяет получить наилучшие точностные характеристики. Далее вычисляются его дискриминационные и точностные характеристики с

учетом уточненной модели морской поверхности. Показаны принципиальные трудности, связанные с практической реализацией в реально действующем ПРВ такого дискриминатора, в частности отсутствие точных данных о состоянии морской поверхности, которые необходимы для формирования стробов.

Наиболее просто реализуемым дискриминационным усфойсшом в следящей системе ПРВ является квазиоптимальный интегральный дискриминатор с прямоугольными стробами. Рассчитаны и показаны его дискриминационные и флуктуационные характеристики для уточненной модели и широкого диапазона исходных данных. Приведены практические рекомендации по выбору формы стробов такого дискриминатора с учетом его систематических и флуктуанионных ошибок.

Далее в работе приводятся сведения о квазиоптимальном локальном дискриминаторе, работающем по переднему фронту 01 раженного сигнала. Дискриминатор, построенный по данной схеме, позволяет получать минимальные систематические ошибки, что подтверждается рассчитанными дискриминационными

характеристиками такого устройства с учетом уточненной модели.

Также представлены данные о пороговом дискриминаторе, работающем по засечке переднего фронта. Его точностные характеристики заметно хуже вышеуказанных типов.

На рис.2 приведена зависимость систематических ошибок для различных следящих систем. Как видно, именно следящая система, построенная на основе локального дискриминатора, позволяет получить минимальные ошибки смещения.

Однако, полученные флуктуационные погрешности показывают заметный проигрыш локального дискриминатора в шумовых

погрешностях измерения высоты, по сравнению с квазиоптимальным интегральным дискриминатором. В связи с этим, в работе предлагается новая следящая система ПРВ на основе комбинации этих двух устройств. Ее структурная схема изображена на рис.3.

40

30

т> НС

20

к в аз и опти м ал ъны и дискриминатор с широкими стробами

квазиоптимальныи дискриминатор с узкими стробами

3 4 5 6 7

степень морского волнения, баллы

Систематические ошибки различных следящих систем ПРВ. Исходные данные: Ь=700км; Д^=200МГц; ДРШ=2°; £=0°.

Рис.2.

и(

г<2Н

ис/1— ис 2Г

I

АЦП

/

НУФС

УН

—Ж-

АЦП

рБНФс|=П

ЭФ

Б А ЦП -»СЦВУ

ЭФ

тко —>

4

ф

А Тег

Ат

->

Блок-схема комбинированной следящей системы ПРВ УФС - устройство формирования стробов, РУН - регулируемый усилитель, АЦП - аналогоцифровой преобразователь, БАЦП -быстродействующий АЦП, СВУ -вычислительное устройство, БНС - блок наведения стробов, ЭФ -экстраполирующий фильтр 2-го порядка, Ф -сглаживающий фильтр, ¡- интегратор.

Рис.3.

Показаны преимущества, получаемые в таком случае, которые выражаются в уменьшении систематической, флуктуационной погрешности измерения, по сравнению с другими практически реализуемыми схемами; увеличении надежности устройства; получение данных о высоте морских волн, путем прямых измерений.

В четвертой главе диссертационной работы дан подробный анализ точностных характеристик ПРВ при широкой вариации исходных данных. Показаны зависимости систематических погрешностей прецизионного высотомера от взволнованности морской поверхности, влияния анизотропии и отклонении в законе распределения ее ординат и наклонов, отклонения оси диаграммы направленности антенны для случаев, которые не были рассмотрены в известной литературе. Для этого анализа был разработан пакет прикладных программ расчетов на ПЭВМ.

Сделаны оценки точности единичного измерения для рассмотренных устройств. Показан их проигрыш по сравнению с оптимальным устройством. Широкая вариация исходных данных позволила подтвердить перспективность использования предложенных в диссертации технических решений.

В пятой главе представлены результаты сравнения теоретических выводов диссертации с некоторыми экспериментальными данными, которые были получены в ходе летных экспериментов на летающей лаборатории ИЛ-18 над акваториями Черного и Каспийских морей в 1989-1990 годах. Сделано заключение об экспериментальном подтверждении полученных теоретических выводов по модели отраженного сигнала и флуктуационных погрешностях ПРВ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Получена математическая модель дистанционного зондирования

морской поверхности ПРВ космического базирования, построенная с учетом уточненных данных о законе распределения ординат и анизотропии моря.

2. Исследованы статистические характеристики отраженных от морской поверхности сигналов ПРВ при различных исходных данных.

3. Исследованы точностные характеристики следящей системы с квазиоптимальными дискриминаторами в зависимость от состояния поверхности моря и параметров уточненной модели морской поверхности.

4. Предложена блок-схема комбинированной следящей системы, использующей преимущества локального и интегрального дискриминаторов.

5. Исследованы точностные характеристики следящей системы с комбинированным дискриминатором, показано ее преимущество по сравнениию с известными системами с учетом уточненных данных о законе распределения ординат и анизотропии моря.

6. Результаты подтверждены моделированием исследуемых систем на ПЭВМ с использованием пакетов прикладных программ и экспериментальными данными, полученными в летных экспериментах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зайцев A.M., Морозов К.Н. Автоматизированный расчет параметров информационных сигналов орбитального прецизионного радиовысотомера для широкого диапазона исходных данных при обработке во временной и частотной областях. //Московская студенческая научно-техническся конференция: Тез. докл. - М.:, МЭИ, 1995.-С. 14-15.

2. Баскаков А.И., Морозов К.Н., Победоносцев К.А. Исследование интервалов корреляции быстрых и медленных колебаний радиосигнала, отраженного от морской поверхности. //Международный симпозиум по спутниковой связи дистанционного зондирования "SCRS'95": Тез. докл. - Сиан, Китай. - 1995. - С.20-22.

-

3. Морозов К.Н. Исследование влияния состояния поверхности акваторий на точностные характеристики прецизионного радиовысотомера. //Московская студенческая научно-техническся конференция «Проблемы Радиоэлектроники-96»: Тез. докл. - М.:, МЭИ, 1996.-С. 17-18.

4. Баскаков А.И., Морозов К.Н. Влияние анизотропии морской поверхности на вид диаграммы обратного рассеивания и на отлаженный сигнал прецизионного радиовмсот^м^ра.

- //Исследование Земли из космоса. -1997. - №6. - С. 56-60.

5. Баскаков А.И., Морозов К.Н. Использование уточненной модели отражений от морской поверхности для анализа погрешности смещения прецизионного радиовысотомера космического базирования. //Исследование Земли из космоса. - 1998. - №1. - С. 3437.

6. Баскаков А.И., Важенин H.A., Морозов К.Н. Сравнение информационных сигналов для временного и частотного методов обработки в океанографических прецизионных радиовысотомерах. //Исследование Земли из космоса. - 1998. - №3. - С. 70-74.

7. Морозов К.Н. Анализ точностных характеристик прецизионного радиовысотомера с квазиоптимальным дискриминатором. //Пятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. -М.:, МЭИ, 1999. - С. 121-122.

8. Баскаков А.И., Морозов К.Н., Победоносцев К.А. Воздействие анизотропии морской поверхности на вид диаграммы обратного рассеивания и на отраженный сигнал прецизионного радиоальтиметра //Международный симпозиум по спутниковой связи дистанционного зондирования "SCRS'97": Тез. докл. - Сиан, Китай, - 1997. - С.42-46.

9. Баскаков А.И., Морозов К.Н. Корреляционная функция и усредненная мощность эхо-сигналов прецизионного радиовысотомера при отклонении оси диаграммы направленности антенны от вертикали. //54-я научная сессия, посвященная Дню Радио: Тез. докл.-М.:, 1999.-С.165-166.

Ю.Морозов К.Н. Выбор формы стробов квазиоптимального дискриминатора прецизионного радиовысотомера космического базирования и анализ флюктуационных погрешностей измерения высоты. //III Всероссийской научной конференции «Применение дистанционных радиофизических методов исследования природной среды» : Тез. докл. - Муром, Россия. - 1999. - С. 167-168.

11. Морозов К.Н. Комбинированный дискриминатор. //Шестая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. - М.:, МЭИ, 2000. - С. 158-159.

Псч. л. /. ¿¿Г_Тираж 1С С Заказ j$C

Типографии МЭИ, Краспоказармсиная, 13.

Введение.

Глава 1. Уточненная модель отраженных радиолокационных

СИГНаЛОВ ОТ МОрСКОЙ ПОВЩйОСТМг

1.1. Статистические характеристики морской поверхности и их связь с моделью поверхности.

1.2. Создание уточненной модели отраженного сигнала методом свертки.

1.3. Создание модели отраженного сигнала методом вычисления автокорреляционной функции

1.4. Сравнение двух моделей отраженных сигналов.

1.5. Выводы по первой главе

Глава 2. Анализ статистических характеристик отраженных от морской поверхности сигналов

2.1. Анализ корреляционной функции быстрых и медленных флюктуаций отраженного сигнала для уточненной модели поверхности и отклонения оси диаграммы направленности антенны от вертикали.

2.2. Сравнение корреляционных и спектральных характеристик эхо-сигнала при временном и частотном методах обработки

2.3. Оценка энергетических характеристик прецизионного высотомера космического базирования

2.4. Выводы по второй главе

Глава 3. Разработка и исследование локальных и интегральных методов слежения за эхо-сигналом в прецизионном радиовысотомере.

3.1. Структура прецизионного радиовысотомера.

3.2. Алгоритм оптимального дискриминатора радиовысотомера.

3.3. Построение квазиоптимального дискриминатора радиовысотомера.

3.4. Построение дискриминатора при локальном методе слежения за отраженным сигналом.

3.5. Дискриминатор на основе порогового устройства.

3.6. Построение комбинированного дискриминатора, его преимущества перед известными структурами.

3.7. Выводы по третьей главе

Глава 4. Анализ точностных характеристик прецизионного радиовысотомера

4.1. Систематические погрешности прецизионного высотомера при различных режимах облучения.

4.2. Флуктуационные погрешности прецизионного высотомера

4.3. Выводы по четвертой главе

Глава 5. Экспериментальные результаты.

5.1. Экспериментальная проверка уточненной модели отраженного сигнала.

5.2. Экспериментальная оценка флуктуационных погрешностей радиовысотомера.

5.3. Выводы по пятой главе.

Задачи, стоящие перед хозяйством страны, по освоению ресурсов Земли и океана требуют разработки принципиально новых средств и методов исследования. Космические системы дистанционного зондирования в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток.

Оперативное определение с орбиты искусственного спутника Земли состояния поверхности на больших акваториях Мирового океана чрезвычайно актуальная задача для океанографии, метеорологии, судовождения, экологического мониторинга, поиска полезных ископаемых на шельфе и т.д. При этом одним из наиболее информативных бортовых приборов дистанционного зондирования является океанографический прецизионный радиовысотомер (ПРВ), предполагающий использование СВЧ радиосигнала с наносекундной разрешающей способностью [1]. Последние исследования функциональных возможностей показали, что эти приборы позволяют решать широкий круг задач: уточнение морского геоида; картирование гравитационных аномалий [2, 3,4]; контроль состояния морской поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов вихрей, цунами), контроль морских течений, определение высоты морских волн, скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня морской поверхности [5, 6, 7].

ПРВ также способен давать полезную информацию для изучения рельефа суши, ледового покрова, уровня воды в крупных внутренних водоемах. >

Исследования динамической топографии поверхности океана по данным космических съемок проводятся в настоящее время в большинстве стран, имеющих свои космические программы. При этом используется информация, полученная с космических радиосистем дистанционного зондирования.

Программы создания космических систем картографирования для военного и коммерческого использования являются приоритетными для

США и Европейского сообщества. Соответственно развивается методическое обеспечение этой задачи [8, 9, 10].

ПРВ, кроме решения ряда самостоятельных задач, о которых говорилось выше, используется также для прецизионного измерения высоты космического аппарата (КА) над средним уровнем морской поверхности с флуктуационной погрешностью не более 10 см, для контроля параметров орбиты и контроля ориентации космической платформы, на которой установлен комплекс научной аппаратуры, относительно локальной нормали. В интервалах между измерениями высоты параметры орбиты могут интерполироваться. В случае, когда параметры орбиты КА известны, топографические данные о рельефе подстилающей поверхности, полученные с ПРВ в подспутниковой области , могут использоваться для привязки возвышений рельефа, при проведении картографирования подстилающей поверхности бортовой системой радиолокатора с синтезируемой апертурой диаграммы направленности антенны.

Современное состояние космической прецизионной радиовысотометрии изложено ниже. При этом основные ее задачи направлены на снижение погрешностей измерения высоты в целях получения представляющей интерес информации.

Оценка подъема среднего уровня морской поверхности с точностью 0,5м на протяженности порядка 100 км (угол уклона при этом составляет менее 10"5 рад) дает возможность обнаружения приливов в зонах континентальных шельфов, штормовых нагонов и деформаций уровня, связанных с западными пограничными течениями и с их меандрами. А улучшение разрешающей способности до 0,1 м на 100 км подспутниковой трассы (угол уклона < 10~6 рад) позволяет определять отклонения уровня поверхности моря от геоида, детально! исследовать вихревую структуру 1 общей океанической циркуляции и обнаруживать разрушительные волны цунами задолго до их приближения к берегу [5, 7].

Основные погрешности измерения прецизионного радиовысотомера делятся на систематические (погрешности смещения) и случайные (флуктуационные погрешности).

Погрешности смещения связаны со следующими факторами: погрешность стабилизации оси ДНА; изменение степени взволнованности морской поверхности в подспутниковой зоне; отклонение закона распределения ординат морской поверхности от нормального; наличие вертикальной составляющей скорости движения космического аппарата на орбите; погрешности, возникающие при распространении сигнала через атмосферу.

Причины возникновения искажений параметров радиосигнала СВЧ (амплитуды, фазы, частоты) в следующем: отличие групповой и фазовой скоростей распространения электромагнитных волн от скорости света в свободном пространстве; дисперсионные свойства канала распространения; временная нестабильность канала распространения; поглощение и рассеяние энергии электромагнитных волн атмосферой.

Необходимо отметить, что для получения точных топографических данных необходимо знать с высокой точностью орбиту ИСЗ.

Случайные погрешности связанны со следующими факторами: собственные шумоподобные флуктуации отраженного от поверхности сигнала; шумы приемного устройства; нестабильность частоты задающего синтезатора частот; погрешность дискретизации и шумы квантования в цифровой части ПРВ; турбулентные флу ктуации и неконтролируемые изменения характеристик канала; отклонение ДНА, t приводящие также к увеличению ошибок типа "сигнал-шум", "шум-шум"; нестабильность следящей адаптивной системы.

Последние из перечисленных погрешностей относятся к инструментальным погрешностям ПРВ. Они связаны, в основном, с его техническими параметрами и использованной элементной базой. Для учета собственных погрешностей ПРВ предусматривают периодическое проведение калибровок измерительного тракта по зондирующему сигналу.

Научные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ "Skylab", "Geos-C", "Seasat" , "ERS", "Topex-Poseidon" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений [1, 6, 9, 10, 11], а тактико-технические характеристики орбитальных ПРВ даны в таблице 1.

Эти специальные импульсные ПРВ были разработаны в основном для измерения расстояния между космическим аппаратом и земной поверхностью и исследования характеристик изменения формы и максимальной величины усредненной мощности отраженных сигналов [1], Но преобразование полученных радиосигналов в информацию по характеристикам исследуемой поверхности потребовало точных знаний о статистических характеристиках отраженных сигналов, а также принципах работы и расчета ПРВ с зондирующим сигналом, обеспечивающим наносекундное временное разрешение.

Таблица 1

Тактико-технические характеристики орбитальных ПРВ.

Тактико-технические характеристики Беава^А США Оеоза1 А США Торех Розе1с1оп США/Франция ЕЯБ ЕС

Средняя высота орбиты, км 800 800 1300 800

Несущая частота, ГГц 13,5 13,5 13,5/5,3 13,5

Пиковая мощность, кВт 2 0,02 0,02 0,05

Длительность импульса без сжатия, мкс 3,2 102,4 102,4 20

Девиация частоты, МГц 320 320 320 330/82,5

Частота повторения, Гц 1020 1020 4000/1000 1000

Ширина ДНА, град 1,6 2,1 1,1/2,8 1,3

Точность измерения высоты, м 0,1 0,04 0,025 0,1/0,4

Точность измерения высоты волн (Н3%), м 0,5±10% 0,5±10% 0,5+10% 0,5±10%

Точность измерения удельной ЭПР, дБ 1 1 1 1

В таблице 2 приведены величины основных погрешностей двух радиовысотомер кмх. . систем "8еаза1:" (1978г.) и "Торех-Розе1с1оп" (1990г.) с учетом коррекции данных при наземной обработке.

Таблица 2

Величины основных погрешностей действующих ПРВ.

Источники погрешности "БеазаГ, см "Торех-Розе1с1оп", см

Флуктуационные погрешности 10 2,5

Ионосферные погрешности 5 1 распространения

Тропосферные погрешности распространения: сухая тропосфера, 3 0,7 сырая тропосфера 3 Ь I 1,3

Другие погрешности канала 2 2 распространения

Гравитационные погрешности 36 10

Погрешности координат станций 15 5 слежения за орбитой

Погрешность временных отсчетов 15 5

Другие орбитальные погрешности 10 1

Суммарная погрешность 45 12

Важнейшая связь между полученными радиотехническими параметрами и поверхностными характеристиками обеспечивается либо усредненной отраженной мощностью, как функцией времени при временной обработке сигнала в ПРВ, либо формой усредненного спектра сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы при обработке в частотной области. Если характер и величина искажений формы эхо-сигнала остаются неизвестными, то это приводит к погрешностям при оценке параметров отраженного сигнала [12]. Детальное рассмотрение указанных искажений позволяет выявить погрешности измерения высоты полета, топографии морской поверхности и высоты морских волн [13].

Еще в 1957г. Мур и Виллиамс [14] продемонстрировали, что средняя мощность отраженного от земной поверхности сигнала рассчитывается простым суммированием мощностей сигналов, отраженных отдельными рассеивающими элементами на поверхности. Этот результат был очень важен, так как ясно показал, что для некогерентного рассеяния можно применить метод суперпозиции в отношении к мощности. Используя этот подход, Зубковичем [15] была рассчитана усредненная форма сигнала, отраженного от однородной шероховатой поверхности при облучении ее прямоугольным радиоимпульсом.

Другие авторы [16,17] показали, что усредненная форма отраженного от подстилающей поверхности сигнала является сверткой радиолокационного отклика системы на импульсный сигнал с мощностной огибающей в виде дельта-функции. Этим методом в работе [17] были рассчитаны усредненные формы огибающих эхо-сигналов, отраженных от протяженной статистически неровной поверхности.

Однако, во всех перечисленных работах, статистические свойства поверхности учитывались только через диаграмму обратного рассеяния поверхности. Этого недостаточно при использовании радиосигналов с наносекундной разрешающей способностью, которая соизмерима с временными размерами ординат отдельных неровностей поверхности и, следовательно, статистические характеристики ординат шероховатой поверхности должны влиять на форму огибающей отраженных от нее сигналов. При повышении требований к точности геодезических измерений лучше 1 м стала ясной необходимость учета степени взволнованности поверхности моря в районе измерений [17, 18].

Для наносекундных зондирующих радиоимпульсов в [14, 15, 16] было показано, что при вычислении усредненной формы отраженного от морской поверхности сигнала следует учитывать нормальный закон распределения ординат морских волн. Но более точные океанографические данные и тщательные экспериментальные измерения показали [17, 18, 19, 20], что этот закон распределения может заметно отличаться от нормального закона и имеет асимметрию и эксцесс. Кроме того, анизотропия морской поверхности, связанная со скоростью и направлением поверхностного ветра вызывает асимметрию и эксцесс от нормального закона распределения наклонов морских волн, что должно проявляться в диаграмме обратного рассеяния морской поверхности. В перечисленных работах, во-первых, не исследовалась зависимость статистических характеристик отраженных сигналов в широком диапазоне исходных данных и параметров радиолокатора (например, при отклонении оси диаграммы направленности антенны от вертикали на угол превосходящий ее ширину), во-вторых, не рассматривались корреляционные характеристики отраженных от морской поверхности наносекундных радиосигналов с учетом параметров уточненной модели поверхности, поскольку подход, основанный на свертке импульсного отклика поверхности с откликом радиосистемы на точечную цель не связывает усредненную форму отраженного сигнала непосредственно с его корреляционной функцией. Знание корреляционных характеристик эхо-сигнала чрезвычайно важно для расчета параметров работы ПРВ с зондирующим сигналом, обладающим наносекундной разрешающей способностью. Для решения этих задач необходимо разработать уточненную модель отражения СВЧ радиосигналов от морской поверхности.

Разработанная ранее модель отражения наносекундного СВЧ радиоимпульса от морской поверхности [1, 8] нуждается в уточнении и доработке. В известной литературе отсутствует также обобщающие работы, посвященные теоретическому и экспериментальному исследованию точностных характеристик ПРВ при зондировании морской поверхности радиосигналами сложной формы с наносекундной разрешающей способностью и при широком диапазоне вариаций исходных данных.

Вопросы выбора параметров и конструирования наносекундных океанографических ПРВ слабо освещены в отечественной печати, а 1 известные зарубежные публикации содержат сведения в основном ОГрШЧЩОГО характера [2-10].

Все это делает актуальной тему исследований, выбранную в данной диссертационной работе, и позволяет четко сформулировать ее цель.

Целью диссертационной работы является анализ точностных характеристик прецизионного радиовысотомера космического базирования (ПРВ) в зависимости от состояния морской поверхности и выбранного режима облучения, а также исследование возможности повышения точности измерения высоты.

Для достижения этой цели необходимо решить целый ряд научных задач.

Задачи диссертационной работы.

Во-первых, это получение модели отраженного от морской поверхности эхо-сигнала, которая учитывала бы последние уточненные данные о статистических характеристиках объекта отражения (асимметрию и эксцесс закона распределения ординат морских волн и анизотропию морской поверхности, связанную со скоростью и направлением ветра). Такая модель должна позволять проводить исследование тех статистических характеристик обрабатываемого сигнала, от которых напрямую зависит точность ПРВ (корреляционная функция быстрых флуктуаций, средняя мощностная огибающая эхо-сигнала при временной обработке или средний спектр флуктуаций сигнала биений при обработке в частотной области, взаимная корреляционная функция межпериодных флуктуаций). Кроме того, эта модель должна работать в широком диапазоне исходных данных, не ограниченного условиями, в рамках которых уже проводилось моделирование [1, 8], а именно с фиксированной высотой измерения, шириной луча ДНА, малым набором состояний морской поверхности и одним режимом облучения.

Во-вторых, для исследования точности ПРВ необходимо получить конкретные данные о статистических характеришщ отраженных сигналов при широком диапазоне вариаций исходных данных для уточненной модели и отклонения от вертикали луча диаграммы направленности ПРВ. Для этого необходимо разработать пакет прикладных программ и провести расчеты на персональной вычислительной машине (ПЭВМ), используя различные программирования и современные офисные приложения.

В-третьих, получив данные о статистических характеристиках эхо-сигнала, необходимо исследовать зависимость точностных характеристиках ПРВ от состояния морской поверхности и режимов облучения, с учетом вышеизложенных уточнений. Для этого необходимо проанализировать структуру и характеристики дискриминаторов следящих систем ПРВ, сравнив полученные точностные характеристики с потенциальными. Полученные таким образом результаты,позволят сделать конкретные выводы о наиболее целесообразной структуре построения широкофункционального ПРВ.

В-четвертых, необходимо провести моделирование информационных сигналов и процесса обработки в ПРВ на ПЭВМ для того, чтобы дать окончательные рекомендации по схемотехническим решениям и выборе основных характеристик ПРВ.

При этом основные положения диссертационной работы нуждаются в экспериментальной проверке.

Для решения вышеуказанных задач в данной диссертационной работе, в качестве метода исследования, применялись методы ■ статистической радиофизики, теория оптимальной обработки сложных радиолокационных сигналов и методы математической статистики, а также использовались различные методы математического моделирования.

Полученные с помощью этих методов решения поставленных здесь задач отличаются научной новизной и практической ценностью.

Научная новизна заключается в том, что в диссертации впервые:

1. Предложена и экспериментально проверена уточненная модель отражения радиосигнала ПРВ от морской поверхности, позволяющая учесть, как явление анизотропии поверхности, так и отклонения в законе распределения ординат морских волн от нормального.

2. Проанализированы статистические характеристики отраженных сигналов при отклонении диаграммы направленности антенны ПРВ от вертикали, которые показали, что при отклонении оси диаграммы направленности антенны на угол превышающий ее ширину, существенно изменяются энергетические характеристики ПРВ, форма сигнала и спектры флуктуаций отраженного сигнала. При этом в диссертации большинство конечных формул этих характеристик получено в аналитическом виде, что позволяет легко исследовать ИХ в: широком диапазоне исходных данных.

3. Предложена и исследована структура квазиоптимального дискриминатора ПРВ, позволяющего достичь близких к оптимальным флуктуционых погрешностей измерений.

4. Выщзщй. анализ точностных характеристик ПРВ для уточненной модели поверхности при широкой вариации различных режимов облучения поверхности, выбранных параметров ПРВ и состояниях морской поверхности.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1) Был разработан комплекс программ расчетов статистических характеристик отраженных сигналов и точностных характеристик ПРВ на I персональном компьютере (ПЭВМ), что позволяет использовать их в проектировании современных прецизионных систем дистанционного зондирования для различных задач, связанных с исследованием характеристик подстилающей поверхности, не обязательно только морской.

2) Предложенная в работе измерительная система на основе комбинированного дискриминатора на базе локального и интегрального методов оценки высоты позволяет:

• избавиться от главного недостатка квазиоптимального дискриминатора - большой систематической погрешности измерения высоты;

• избавиться от недостатка локального дискриминатора - значительной флуктуационной погрешности измерения высоты;

• существенно повысить надежность системы, благодаря использованию двух каналов измерения;

• получать данные об оценке высоты морской волны прямым методом по временному интервалу точек слежения в двух каналах.

Результаты работы нашли свое практическое использование в научно-исследовательской работе №1128980/С728-5/98 «Исследование и разработка принципов построения космических комплексов дистанционного зондирования для прецизионного восстановления рельефа поверхности Земли», которая проводилась кафедрой «Радиотехнических приборов» МЭИ (ТУ) по межвузовской научной программе «Критические технологии, основанные на воздействии и распространении потоков энергии», головная организация МФТИ в 19981999гг. Акт об использовании результатов диссертации в указанной научно-исследовательской работе, приведен в Приложении №1 к диссертационной работе.

Планируется применение полученных данных в академических, I научно-исследовательских и конструкторских организациях, занимающихся исследованиями и разработкой спутниковых радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, а именно: Институт Радиоэлектроники Российской Академии Наук (ИРЭ РАН), Институт Космических Исследований Российской Академии Наук (ИКИ РАН), Институт океанологии им. П.П. Шершова Российской Академии Наук, Ракетно-Космическая Корпорация «Энергия» им. академика С.П. Королева, Научно-исследовательский институт Точных приборов (НИИТП), Особое конструкторское бюро Московского Энергетического института (ОКБ МЭИ), Научно-исследовательский институт «Радио».

Апробация диссертационных исследований проводилась на различных научно-технических конференциях и семинарах в том числе: на московской научно-технической конференции МЭИ 1995 года, на московской научно-технической конференции "Проблемы радиоэлектроники - 96" МЭИ, на международной научно-технической конференции в г.Сиане (КНР) в сентябре 1998г., на 5-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов в 1999 году, на

17

54-оЙ научной сессии, посвященной дню радио г. Москва 1999г., на III Всероссийской научной конференции «Применение дистанционных радиофизических методов исследования природной среды» (г. Муром июнь 1999г.), на 6-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов в 2000 году, а также на научных семинарах кафедры «Радиотехнических приборов» Московского Энергетического института (ТУ). Полученные результаты и выводы диссертации были одобрены. t

По теме диссертации было опубликовано 15 статей, в том числе 3 в центральной печати, и тезисов докладов5 [21-35]. I

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из данной расчетно-пояснительной записки, включающей 5 глав, объемом 201 страниц из них 64 страницы рисунков, 3 страницы списка используемой литературы и 114 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц, а также 20 страниц приложений.

Основные выводы, полученные в представленной диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Показана связь уточненных океанографических данных, учитывающих анизотропию морской поверхности и отклонение от нормального закона распределения ординат морских волн, с моделью отраженного сигнала ПРВ. Полученная в работе уточненная модель отраженного сигнала впервые позволяет вычислять его корреляционные функции с использованием уточненных дайных о морской поверхности.

Сравнение результатов моделирования, полученных с помощью различных моделей отражения радиосигнала от морской поверхности, позволяет сделать вывод об их идентичности в части формы информационного сигнала и правомерности внесения поправок, учитывающих параметры уточненной модели морской поверхности.

2. В диссертационной работе сделан анализ статистических характеристик отраженных от морской поверхности сигналов. Проведенный с помощью полученной уточненной модели анализ корреляционной функции быстрых флуктуаций отраженного сигнала показал, что деформация начального участка фронта отраженного сигнала минимальна и сводится к задержке средней части фронта эхо-сигнала.

Интервал когерентного накопления отраженных сигналов определяется интервалом автокорреляции зондирующего импульса, поэтому имеющийся в литературе вывод о необходимости использования фильтра^согласованного с зондирующим сигналом^для рассматриваемых режимов облучения,,близких к вертикальному^ подтверждается и при уточненной модели поверхности.

3. Анализ корреляционной функции межпериодных флуктуаций отраженного сигнала для уточненной модели поверхности и отклонения антенны от вертикали позволяет правильно выбрать время осреднения в следящей системе ПРВ. Рассматриваемые случаи показали возможность и целесообразность использования системы с перестраиваемым периодом повторения зондирующих сигналов в зависимости от степени взволнованности морской поверхности. Показано, что с ростом степени взволнованности морской поверхности корреляционный интервал межпериодных флуктуаций отраженных сигналов заметно падает. Это позволяет увеличить частоту повторения при фиксированном времени осреднения в следящей системе, и' в свою очередь уменьшить флуктуационные ошибки измерения высоты, которые возрастают с ростом волнения.

4. Получено и исследовано выражение для усредненного спектра сигнала биений на выходе смесителя при корреляционно-фильтровой схеме обработки в частотной области. Сравнение корреляционных и спектральных характеристик эхо-сигнала при временном и частотном методах обработки подтвердили вывод о том, что при использовании в качестве зондирующего сигнала с ЛЧМ, оба метода приводят к одинаковым результатам и описываются идентичными выражениями, что. объясняется наличием линейной частотно-временной связи для радиоимпульсов с ЛЧМ.

5. Полученные в диссертации „. ; результаты позволяют исследовать статистические характеристики отраженных от морской поверхности сигналов и при больших углах отклонения оси ДНА от вертикали, превышающих ширину луча ДНА ПРВ, при этом оценка энергетических характеристик ПРВ при отклонении оси антенны от вертикали позволила сделать вывод об ограничении максимального угла отклонения величиной

2,5 ДС>Ш, т.е. зона обзора сканирующего ПРВ будет ограничена величиной ±2,5Ьддш.

6. Поскольку центральное место с точки зрения точностных характеристик ПРВ занимает дискриминатор следящей системы, основные исследования посвящены вопросу выбора наиболее подходящего дискриминационного устройства, близкого по своим характеристикам к оптимальному дискриминатору ПРВ, который позволил бы получить наилучшие флуктуационные характеристики. Вычислены и проанализированы его дискриминационные и флуктуационные характеристики с учетом уточненной модели морской поверхности. Показаны принципиальные трудности, связанные с практической реализацией в реально действующем ПРВ такого квазиоптимального дискриминатора,' в частности, отсутствие точных данных о состоянии морской поверхности, которые необходимы для формирования оптимальных стробов.

7. Наиболее просто реализуемым дискриминационным устройством в следящей системе ПРВ является квазиоптимальный интегральный дискриминатор с прямоугольными стробами. Рассчитаны и показаны его дискриминационные и флуктуационные характеристики для уточненной модели и широкого диапазона исходных данных. Приведены практические рекомендации по выбору формы стробов дискриминатора с учетом его систематических и флуктуационных ошибок. Для более простых измерительных систем с невысоким отношением сигнал-шум хорошо подходит дискриминатор, настроеннный на слабое волнение.

8. Приведены сведения о локальном дискриминаторе, работающем по переднему фронту отраженного сигнала. Дискриминатор, построенный по данной схеме, позволяет получать минимальные систематические ошибки, что подтверждается рассчитанными дискриминационными характеристиками такого устройства с учетом уточненной модели.

Однако, полученные флуктуационные погрешности показывают заметный проигрыш локального дискриминатора в шумовых погрешностях измерения высоты, по сравнению с квазиоптймальным интегральным дискриминатором.

9. Предложена структура комбинированного дискриминатора и показаны преимущества, получаемые в измерительной системе, которые выражаются; в уменьшении систематической Л флуктуационной погрешностей измерения, по сравнению с другими практически реализуемыми схемами, возможности оценки степени взволнованности морской поверхности и » использования этой информации для формирования формы и коэффициентов асимметрии следящих стробов в соответствии с состоянием морской поверхности, увеличении надежности устройства.

10. В работе дан подробный анализ точностных характеристик ПРВ, построенного на основе предложенного комбинированного дискриминатора. Показаны зависимости систематических погрешностей прецизионного высотомера от взволнованности морской поверхности, влияния анизотропии и отклонении в законе распределения ее ординат и наклонов, отклонения оси диаграммы направленности антенны для случаев, которые не были рассмотрены в известной литературе.

11. Сделаны оценки точности единичного измерения всех типов практически реализуемых дискриминационных устройств. Показан их проигрыш по сравнению с оптимальным устройством. Широкая вариация исходных данных позволила подтвердить перспективность использования предложенных в диссертации технических решений.

178

12. Представлен разработанный пакет прикладных программ позволяющий давать оценки- точностных ХАРШг^и-сТйК ЕР В в широком диапазоне исходных данных.

13. Проведено сравнение теоретических данных с некоторыми экспериментальными данными, которые были получены в ходе летных экспериментов на летающей лаборатории ИЛ-18 над акваториями Черного и Каспийских морей в 1980-1990 годах. Сделано заключение об экспериментальном подтверждении полученных теоретических выводов диссертации. ';'

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Баскаков А.И. Прецизионный океанографический радиовысотомер космического базирования. М.: Изд-во МЭИ, 1994. -75 с.

2. Фукуда Ю. Точное определение локального гравитационного поля с помощью как данных спутникового альтиметра, так и наземных гравиметрических данных. Tokyo. - 1990. - 133 с. -Япония.

3. Бейсик Т. Предсказания гравитационных аномалий в открытом океане, полученные со спутников; Geos-3, Seasat и высотомера спутника Geosat. Columbus (ОН). - 1992. - 89 с. - Соединенные Штаты Америки.

4. Шоене Т. Измерения поля силы тяжести в море Уэдделла, Антарктида, с помощью радарного альти^&тра со спутников GEOSAT и ERS-1.- Bremerhaven: Alfred-Wegener-Inst. fuer Polar-u. Meeresforschung. 1997. - VI, 145 с. - Германия.

5. Филлипс O.M. Динамика верхнего слоя океана. М.: Гидрометеоиздат, 1980.-213 с.

6. Денкер X. Перевод заглавия: Уменьшение ошибки радиальной орбиты и топографическое определение морской поверхности с использованием данных альтиметра GEOSAT за один год. -Columbus (ОН). 1990. - 64 с. - Соединенные Штаты Америки.

7. Цоу Дж. Анализы вариаций уровня в тропической части Тихого океана с использованием данных высотомерного радара спутника GEOSAT. Hamburg: Inst.fur Meereskunde. - 1993. - 135 с. - Германия.

8. Браун Г.С. Усредненный отраженный импульс от взволнованной поверхности и его приложения. /ЯЕЕЕ Transactions on Antennas and Propagation. 1977. - №1. - С. 67-73.

9. Ким И.Х. Проектирование и реализация высокоточного высотомера: Diss. Штутгард. - 1990. - 202 с. - Германия.

10. Труды совещания Европейского управления космических• исследований: результаты измерения данных радиовысотомером

11. ERS-1. Гуюнне Т.Д., Хунт Дж.Дж и др. Paris. - 1984. - 259 с. -Франция.

12. Хайдланд К. Спутниковая высотометрия надо льдом. Применение спутникового альтиметра GEOSAT для съемки высот над цельфовым ледником экстремис. Bremenhaven: Alfred-Wegener-Inst.fur Polar- u.Meeresforschung. - 1994. - 144 с. -Германия.

13. Зандберген P.C. Перевод заглавия: Обработка данных от спутникового высотомера: от теории к практике: Diss. Delft: Delft univ. press. - 1990. - 236 с. - Нидерланды.

14. Федоров К.Н. Дистанционные методы исследования океана. // Итоги науки и техники. 1977. -№4 . — С. 132-165.

15. Мур Р.К., Виллиамс Ц.С. Радиолокационная топография при почти вертикальном зондировании. //Proc. IRE. 1967. - №45. -С. 228-235.

16. Зубкович. С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от морской поверхности. М.: Сов. Радио, 1968. -224с.

17. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. -М.: Сов. Радио, 1979. 171с.

18. Скали А.Х. Вычисление наветренного и подветренного коэффициента радиолокационного отражение из статистического размера фацета взволнованной из-за ветра водной поверхности. //Proc. IRE. 1962. - №50. - С. 456-461.

19. Лонге-Хигнс М.С. Longuet-Higgins M.S. Нелинейные эффекты статистического распределения в теории морских волн. //J.Fluid Mech. 1963. - №17. С. 459-480.

20. Хайн Г.С. Осредненный отраженный сигнал радиовысотомера для около нормального рассеяния поверхности океана. //ШЕЕ Transactions on Antennas and Propagation. 1980. - №5. С. 687692.

21. Грин А.Г. Точность радиолокационных альтиметрических измерений со спутника. //Точность измерения со сцутника. М., 1975. - С.320-338. ;

22. Морозов К.Н. Исследование влияния состояния поверхности акваторий на точностные характеристики прецизионного радиовысотомера. //Московская студенческая научно-техническся конференция «Проблемы Радиоэлектроники-96»: Тез. докл. -М.:, МЭИ, 1996. С. 17-18.

23. Баскаков А.И., Морозов К.Н. Влияние анизотропии морской поверхности на вид диаграммы обратного рассеивания и наотраженный сигнал прецизионного радиовысотомера.

24. Исследование Земли из космоса. 1997. - №6. - С. 56-60.1

25. Баскаков А.И., Морозов К.Н. Использование уточненной модели отражений от морской поверхности для анализа погрешности смещения прецизионного радиовысотомера космического базирования. //Исследование Земли из космоса.1998.-Ж.-С. 34-37.

26. Баскаков А.И., Важенин Н.А:, Морозов К.Н. Сравнение информационных сигналов для временного и частотного1.методов обработки в океанографических прецизионных радиовысотомерах. //Исследование Земли из космоса. 1998. -№3.-С. 70-74.

27. Морозов К.Н. Анализ точностных характеристик прецизионного радиовысотомера с квазиоптимальным дискриминатором. //Пятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. М.:, МЭИ,1999.-С. 121-122.

28. Морозов К.Н. Комбинированный дискриминатор. //Шестаямеждународная научно-техническая конференция студентов и•аспирантов: Тез. докл. М.:, МЭИ' 2000. - С. 158-159.

29. Глуховский Б.Х. Виленский Я.Г. Исследование распределения элементов морских волн. //Метрология и гидрология. 1953. -№9, С.

30. Крылов М.М. Спектральные методы исследования и расчет морских ветровых волн. М.: Судостроение, 1954. - 85 с.

31. Крылов М.М. Ветровое волнение. М.: Судостроение, 1966. -214 с.

32. Кокс Ч., Манк В. Измерение взволнованности морской поверхности с помощью фотографий солнечного блеска. // Journal of the Optical Society of America. 1954. - №11. - C.838-850.

33. Калинкевич А.А. Чернышев В.Ю. //Исследование Земли из космоса. 1992. - №1. - С. 21-31.

34. Баскаков А.И. Корреляционная функция и усредненная мощность радиолокационного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности // Радиотехника. 1979. -№1. С. 85-88.

35. Райзонвиль П., Ланнелонг Н. Штатный высотомер спутника «Посейдон». // Acta Astronáutica. 1988. - №1. С.23-30.

36. Гранштейн И.С. Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. — 1108 с.

37. Журавчук A.B. Анализ статистических характеристик сигналов при сканировании ДНА ПРВ: дипл. -М., 1997. 89 с.

38. Баскаков А.И. Щернакова JI.A. Энергетические соотношения в радиолокации. М.: Изд-во МЭИ, 1993. - 27 с.

39. Заведующий кафедрой РТП, профессор, д.т.н.1. СИЗОВ В.П.1. ЖУТЯЕВА Т.С.

40. Вывод зависимостей ДНА и с1А(8) от переменных ри § (см. (31) и (63))к .

41. Учитывая, что тангенс малого угла равен самому аргументу, получаем окончательное выражение для с!А ьI1. А =рёфёр '

42. Рассмотрим теперь чему равен соб(з), используя приведенные обозначения

43. По теореме косинусов соэО^ар2 + Ьр2 с: 2 • ар • Ьрс2 = г2 + с^ 2гёсоз(ф- ф )ар = 7р2 +а = ь1. Ьр=Ь/соз(^)187