автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы мультимасштабного мониторинга волновых полей высокого разрешения на платформе цифровых проблемно-ориентированных моделей

На правах рукописи

УДК 537.87:519.67

ПОТАПОВ Александр Александрович

Методы мультимасштабного мониторинга волновых полей высокого разрешения на платформе цифровых проблемно-ориентированных моделей

05.11.13 — "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

О 5 СЕН 2013

005532&о^

Москва-2013

005532582

Работа выполнена в Центре гидрофизических исследований физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.ВЛомоносова".

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

СЫСОЕВ Николай Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, декан физического факультета ФГБОУ ВПО "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова".

ГВИШИАНИ Алексей Джерменович академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор, директор ФГБУН "Геофизический центр РАН".

КАЛИНИН Юрий Кириллович - доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ "Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова".

Ведущая организация:

ЛУКИН Дмитрий Сергеевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой телекоммуникаций, средств связи и информационных систем в экономике и управлении НОУ ВПО "Российский новый университет".

ФГБУН "Институт радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН".

Защита диссертации состоится 27 ноября 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении "Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова" (ФГБУ "ИПГ") по адресу: 129128, г.Москва, ул. Ростокинская, д. 9, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБУ "Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова".

Автореферат разослан " ) 2, " 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 327.008.01 кандидат физико-математических наук

Хотенко Е.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Экспериментальное изучение и моделирование пространственной структуры электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ) является важной и актуальной задачей, т.к. распределение ЭМП РЧ определяет широкий спектр таких практически важных показателей территорий как: протяженность зон надежного функционирования систем беспроводной связи, возможности по дальнейшему наращиванию количества и плотности радиопередающих средств в искомом районе и степень электромагнитной безопасности функционирующих технических средств [Л1-ЛЗ]. Также ЭМПРЧ, наравне с другими геофизическими и астрофизическими факторами, являются характеристикой окружающей среды важной как при экологическом мониторинге, так и объективном контроле состояния техногенных объектов, что с учетом опыта фундаментальных исследований [Л4-Л6], естественным образом предопределяет высокую значимость комплексного экспериментального изучения данного фактора и других видов волновых полей, в том числе при их малых интенсивностях, ниже установленных нормативных уровней [Л7-Л8].

В связи с этим, в качестве приоритетов в задачах изучения пространственно-распределенных радиофизических характеристик в априори недетерминированных средах может выступать получение информации о пространственной структуре ЭМП РЧ и выявление радиофизических процессов и явлений ее формирующих, в том числе конкретных объектов среды при взаимодействии с которыми искомые эффекты имеют место. При этом наличие только экспериментальных данных объективного контроля ЭМП РЧ недостаточно для решения этой задачи, что требует их дополнения методами моделирования процессов распространения радиоволн с адекватным степени фактической вариативности полей пространственным разрешением.

Достижимая пространственная детализация корректного моделирования пространственной структуры ЭМП РЧ напрямую связана с возможностью соответствующего алгоритма учесть особенности конкретной среды распространения радиоволн, т.е. окружающей передатчик/приемник территории и/или помещения.

Наиболее ранние модели распространения радиоволн, например формула Введенского, описывая напряженность поля от расстояния до передатчика над плоской поверхностью, по сути опирается на модель среды, представленную простым профилем и в более сложных средах дополняется оценкой затуханий радиосигнала в растительности, строительных материалах и табулированными параметрами, описывающими величину дифракционного коэффициента от высоты препятствия, определяя соответствующие геометрические параметры препятствий на основе этого профиля [Л 1, Л2]. Появившиеся позднее и до сих пор применяющиеся статистические методы прогнозирования условий распространения радиоволн (модель Окамуры-Хаты и др.) обеспечивают использование двухмерной модели территории, где вся искомая местность представлена ограниченным набором полигонов - типов подстилающей

поверхности (город, пригород, сельская местность и т.п.) для которых задана функция потерь от расстояния и длины волны, полученная на базе эмпирических данных [ЛЗ, Л9].

Современные детерминированные методы моделирования распространения ЭМПРЧ, основанные на геометрооптическом приближении (различные методы трассировки лучей) и численных методах электродинамики (метод конечных интегралов и др.), могут использовать при проведении расчетов цифровые трехмерные модели среды, в том числе созданные с помощью систем геопространственного моделирования. Однако, до сих пор на их базе не создана единая методика моделирования, позволяющая одновременно: а) с высокой достоверностью определить значение поля в произвольной точке; б) полноценно задействовать в расчете трехмерные модели среды без ограничения степени их детализации; в) эффективно работать на доступных вычислительных мощностях. В связи с этим, каждый из методов используется в своей функциональной нише: методы численной электродинамики - для детальных расчетов в условиях малого объема (помещения), а геометрооптические методы для расчетов на расстояниях до 5... 15 км от передатчика с пространственным разрешением от нескольких десятков метров и грубее.

В сложившейся практике исследований пространственной структуры ЭМП РЧ комплексная природа рассматриваемой задачи часто не находит должного отражения. Например, анализ распределения интенсивности ЭМП РЧ часто сводится к оценке ее статистических характеристик в широкой полосе частот, т.е. искомое пространство исследуется как регулярная или локально однородная среда, представленная конечным набором функциональных выделов. Узкополосные (в частотной области) измерения ЭМП РЧ обычно направлены на оценку зоны покрытия и/или электромагнитной безопасности конкретных систем связи, часто без корректного моделирования искомого объема пространства. Кроме того, в инженерных исследованиях пространственным вариациям ЭМП РЧ как таковым уделяется мало внимания, т.к. авторов интересует сходимость результатов моделирования и натурных измерений и оптимизация используемого алгоритма расчета [ЛЗ, Л9, Л10].

Применение детерминированных методов моделирования распространения радиоволн, а также пространственно-ориентированная обработка данных радиотехнических измерений, очевидно, невозможна без метрически-корректных цифровых моделей среды. В настоящее время основным инструментом создания таковых являются системы геопространственного моделирования также называемые геоинформационными системами - ГИС, которые позволяют преобразовывать информацию об окружающей среде в массив структурированных данных, что обеспечивает создание двух- и трехмерных цифровых моделей среды, адаптированных для проведения физического моделирования и верификации точности соответствующих расчетов, а также пространственно-ориентированный анализ данных дистанционного зондирования, результатов геофизических, экологических измерений и других видов распределенной геоинформации [Л5, Л6, Л11-Л13].

Однако, несмотря на очевидную важность задачи моделирования окружающей среды при анализе распространения радиоволн, до сих пор на методологическом уровне изучение пространственной структуры ЭМПРЧ не рассматривалось как триединая в своей сущности задача [ЛЗ, Л9], включающая: 1) определение оптимального алгоритма моделирования процесса распространения электромагнитных волн (в зависимости от диапазона частот, расстояний и необходимой детализации); 2) разработку адекватной выбранному алгоритму технологии моделирования среды распространения радиоволн; 3) разработку методов экспериментального исследования характеристик ЭМП РЧ, адаптированных как для верификации точности прогноза, так и для исследования характеристик поля в условиях недетерминированных сред, когда возможности прогноза структуры поля ограничены.

Таким образом, понятие "моделирование" применительно к рассматриваемой задаче приобретает комплексный многоаспектный характер, включающий моделирование физического процесса (распространение радиоволн), моделирование окружающей среды и создание пространственных моделей физических полей на базе расчетных или экспериментальных данных. При этом важной особенностью всех аспектов моделирования является работа с пространственно-распределенными явлениями, что требует выработки взаимоувязанного комплекса специализированных методов, базирующихся на общей геопространственной платформе.

В качестве такой платформы могут выступать геоинформационные системы, предоставляющие пользователю универсальную среду моделирования, включающую открытый программный интерфейс, позволяющий создавать собственные программные модули, тесно интегрированные с базовым приложением, возможность работы с широким набором форматов пространственных и непространственных данных и обширный функционал средств пространственного анализа и двух- и трехмерной визуализации информации.

Решение задачи системной интеграции методов моделирования радиофизических процессов, технологий геопространственного моделирования среды и методов экспериментального изучения пространственной структуры ЭМП РЧ принципиально важно для создания новых методов объективного контроля ЭМП РЧ в природных и техногенных средах с применением ГИС и радиотехнических измерений (в том числе оперативных), оценки фундаментальных ограничений на точность таких измерений, а также для создания специализированных методов обработки экспериментальных данных, включающих создание методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения для обработки информации о пространственной структуре ЭМП РЧ и протекающих в среде радиофизических процессах.

При этом ключевую роль играет адаптированность всех предлагаемых решений к реальным условиям работы практикующего исследователя: ограниченности информации о характеристиках функционирующих источников ЭМП РЧ (спектр, мощность, диаграммы направленности антенн и их ориентация), недостатку детальных цифровых данных о среде и сложного

аппаратурного оснащения. Стремление учесть и преодолеть существующие сложности во многом сформировало нижеприведенные цели и задачи настоящей работы и использованные в ней методы исследования.

Цели и задачи исследования. Основной целью является разработка методологии системной интеграции на платформе геоинформационных систем методов радиотехнических измерений, методов моделирования распространения радиоволн с высоким разрешением и технологий геомоделирования среды распространения радиосигнала в задачах исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ при анализе работы систем радиосвязи, оценке электромагнитной безопасности территорий и помещений, а также в ряде смежных областей прикладных исследований. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать применяемые на практике методы экспериментального исследования и моделирования пространственной неоднородности ЭМП РЧ.

2. Разработать комплекс методов экспериментального изучения пространственной структуры ЭМП РЧ с применением частотно-селективных и частотно-неселективных измерений и функционала ГИС и провести их практическую апробацию.

3. Разработать технологию создания радиотехнических моделей среды и помещений в среде ГИС, обеспечивающих моделирование распространения радиоволн на базе геометрооптического приближения и метода конечных интегралов соответственно.

4. Разработать практическую реализацию геометрооптического алгоритма моделирования распространения радиоволн в метровом-дециметровом диапазоне и провести экспериментальную оценку точности прогноза.

5. Разработать практическую реализацию алгоритма моделирования распространения радиоволн в условиях помещений на базе метода конечных интегралов в среде приложения CST Microwave Studio и провести экспериментальную оценку точности прогноза.

6. Усовершенствовать за счет применения ГИС методы экспериментального исследования пространственной неоднородности: радиационного фона, акустического шума и уровней низкочастотных магнитных полей.

Методы исследования. При проведении научно-исследовательской работы были использованы следующие методы исследований: методы математического моделирования, методы пространственного моделирования среды на базе геометрического (векторного) и растрового представления данных, методы пространственно-ориентированного математического анализа цифровых пространственно-координированных данных, методы математической статистики, методы математической

интерполяции/экстраполяции, метод натурных измерений с применением топографо-геодезических средств на базе приборов спутниковой навигации, методы натурных измерений параметров физических полей: радиотехнические, магнитометрические, дозиметрические и акустические.

Научная новизна исследования. Впервые на практике осуществлена системная интеграция на платформе геоинформационных систем программно-

аппаратных средств проведения радиотехнических измерений, методов

радиофизического моделирования и геомоделирования среды в задачах

исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ:

1. Разработана не имеющая аналогов технология создания цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий высокого и сверхвысокого пространственного разрешения в среде ГИС, реализующая технологию двойного адаптивного структурирования данных, учитывающая одновременно особенности виртуальной среды в которой проводится моделирование и требования, обеспечивающие моделирование распространения радиоволн.

2. Впервые разработана технология создания единых, пространственно-неразрывных мультимасштабных радиотехнических моделей среды, которые могут включать все ее значимые элементы: от модели участка городской застройки до элементов интерьера отдельного помещения внутри здания и эффективно использоваться при моделировании распространения радиоволн с применением различных алгоритмов.

3. Разработана новая практическая реализация алгоритма моделирования физического процесса - распространения радиоволн в метровом-дециметровом диапазоне, основанная на геометрооптическом приближении, обеспечивающая среднеквадратическую точность прогноза на частоте 100 МГц в условиях города от4...5 до 8...9 дБ.

4. Впервые разработана практическая реализация моделирования пространственного распределения электромагнитного поля в дециметровом диапазоне длин волн в условиях помещений, основанная на сопряжении метода конечных интегралов в среде программы CST Microwave Studio и радиотехнических моделей зданий, созданных в среде ГИС, обеспечивающая среднеквадратическое отклонение расчетных значений от экспериментальных на частотах 400 и 900 МГц от 3,6 до 5,2 дБ.

5. Разработан и практически апробирован комплекс новых, оригинальных методов экспериментального исследования ЭМП РЧ, основанный на частотно-селективных и частотно-неселективных измерениях и использовании функционала ГИС. Разработаны новые методы экспериментального исследования пространственной неоднородности радиационного фона, уровней акустического шума и низкочастотных магнитных полей.

6. Впервые в рамках комплекса радиофизических экспериментов осуществлено эффективное и результативное объединение комплексов программно-аппаратных средств объективного контроля ЭМП РЧ в широком диапазоне частот (от 100 МГц до 12 ГГц), аппаратуры спутниковой навигации, мобильных ЭВМ и новых оригинальных методов обработки данных в среде ГИС, в том числе в полевых условиях. Аналогичные задачи решены для магнитометрических, дозиметрических и акустических средств измерений.

7. Впервые теоретически обосновано и практически реализовано использование пространственного моделирования ЭМП РЧ с высоким разрешением в среде ГИС для: а) изучения влияния быстрых замираний на пространственную структуру и точность оценки локального уровня поля; б) анализа структуры многолучевого поля радиосигнала; в) расчетов удельных потоков излучения на подстилающую поверхность; г) расчетов потоков излучения сквозь оконные проемы;

д) пространственной локализации мест оптимального размещения экранирующих структур; е) выявления незарегистрированных источников радиосигнала в помещениях. Впервые разработаны и экспериментально определены новые энергетические показатели электромагнитной безопасности территорий и помещений.

Достоверность полученных результатов. Все экспериментальные результаты представленные в работе получены в ходе натурных изысканий непосредственно в условиях урбанизированных сред, проводившихся в течение ряда лет с использованием теоретически обоснованных и практически апробированных методов измерений, учитывающих результаты, опубликованные в ведущих зарубежных и отечественных работах в области мониторинга ЭМП РЧ. Результаты экспериментов многократно обсуждались с ведущими специалистами в области экспериментальной физики на научных конференциях и семинарах. Корректность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением данных измерений и результатов математического моделирования распространения радиоволн в условиях города и помещений, а также их сопоставимостью с аналогичными результатами других исследователей. На разработанное программное обеспечение получено свидетельство о государственной регистрации программы. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Практическая значимость исследования. Результаты проведенной научно-исследовательской работы могут быть использованы в следующих областях практической деятельности, включающих создание новых методов объективного контроля состояния окружающей среды, а также экологического и технологического мониторинга природных и антропогенных объектов:

1. При создании высокодетализированных цифровых проблемно-ориентированных моделей среды, в том числе урбанизированной, для широко спектра практических приложений: обеспечения проведения пространственно-распределенных физических экспериментов (при изучении распространения радиоволн, акустических полей, низкочастотных электрических и магнитных полей), радиотехнического мониторинга и паспортизации территорий.

2. В задачах создания цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий высокой и сверхвысокой детализации при оценке электромагнитной безопасности помещений, планировании защитных и мониторинговых мероприятий при размещении потенциально-опасного технологического или исследовательского оборудования, паспортизации помещений и рабочих мест. Оценке эффективности существующих систем экранирования и биологической защиты от воздействия ЭМПРЧ и других физических факторов в производственных и непроизводственных условиях.

3. В задачах локализации мест проникновения электромагнитного излучения внутрь помещений/выделенных объемов сквозь проемы в ограждающих конструкциях и оценки энергетической утечки сквозь проемы в экранирующих системах радиочастотных установок промышленного и телекоммуникационного назначения, а также при уточнении нормативных требований к комплексам радиомониторинга.

4. При разработке методических руководств по проведению и организации комплексного многофакторного мониторинга городских территорий и

непроизводственных помещений. При определении экспозиций/доз по физическим факторам при проведении экологически-ориентированных исследований.

5. При планировании и сертификации радиопередающих объектов в условиях плотной многоэтажной застройки, в том числе при высокой плотности их расположения. При прогнозе изменений электромагнитной обстановки при увеличении/уменьшении мощности, расположения и иных характеристик действующих радиопередающих объектов, в том числе при разработке мер по снижению электромагнитной нагрузки на прилегающую территорию.

6. Разработанная общая методология исследования пространственной структуры ЭМП РЧ обеспечивает возможность применения программно-аппаратных средств объективного контроля в условиях априорной неопределенности расположения и характеристик источников радиоизлучений, в том числе в задачах поиска несанкционированно установленных технических средств, выявления/уточнения мест закладки скрытых инженерных коммуникаций (по признаку электромагнитной эмиссии) и других смежных задачах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципиально расширена сфера научно-технического применения методов и технологий прикладной геоинформатики - геоинформационные методы внедрены в решение прикладных радиофизических задач: моделирование распространения радиоволн с использованием различных алгоритмов, разработку новых методов радиотехнических измерений и обеспечение электромагнитной безопасности территорий и помещений.

2. Впервые разработана технология создания единых, пространственно-неразрывных мультимасштабных радиотехнических моделей среды, которые могут включать все ее значимые элементы: от модели участка городской застройки до элементов интерьера отдельного помещения внутри здания. Разработана не имеющая аналогов технология создания цифровых проблемно-ориентированных моделей (ЦПОМ) зданий высокого и сверхвысокого пространственного разрешения в среде ГИС.

3. Созданная практическая реализация алгоритма моделирования распространения радиоволн, основанного на геометрооптическом приближении и использующего радиотехнические модели среды, обеспечивает среднеквадратическую точность прогноза уровня поля 100 МГц в условиях города (с возможностью декомпозиции по преобладающим радиофизическим процессам) составляющую: 4...5 дБ в зонах радиотени при преобладании дифракционных процессов, 5...7 дБ в зонах полной/частичной оптической видимости передатчиков и 7...9 дБ при преобладании процессов отражения электромагнитных волн.

4. Созданная практическая реализация алгоритма моделирования распространения радиоволн, основанного на методе конечных интегралов и использовании радиотехнических моделей зданий, обеспечивает среднеквадратическую ошибку прогноза уровня поля 400 и 900 МГц в

условиях помещений, составляющую от 2,1 до 3,7 дБ для 80% площади помещения и от 3,6 до 5,2 дБ для всего помещения.

5. Разработанный комплекс оригинальных методов натурных частотно-селективных и частотно-неселективных радиотехнических измерений, включающих активное использование функционала ГИС, обеспечивает: а) изучение влияния быстрых замираний на пространственную структуру и точность оценки локального уровня поля; б) анализ спектральной структуры амбиентного электромагнитного фона в широкой полосе частот в) анализ структуры многолучевого поля радиосигнала; г) расчет удельных потоков излучения на подстилающую поверхность; д) расчет потоков излучения сквозь оконные проемы; е) пространственную локализацию мест оптимального размещения экранирующих структур; ж) выявление незарегистрированных источников радиосигнала в помещениях.

6. Системная интеграция методов моделирования радиофизических процессов, технологий геопространственного моделирования среды и методов экспериментального изучения пространственной структуры ЭМП РЧ существенно повышает эффективность, оперативность, надежность и пространственное разрешение исследований радиофизических процессов, протекающих в среде, обеспечивает разработку новых методов радиотехнических измерений, оценку фундаментальных ограничений на их точность и создание новых специализированных методов обработки и визуализации экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертации получены автором лично. Непосредственно автору принадлежит разработка общей методологии исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ, методов проведения радиотехнических измерений и методов обработки экспериментальных данных частотно-селективных и частотно-неселектвных измерений в среде систем геопространственного моделирования. Автором единолично разработаны и практически апробированы методы создания радиотехнических моделей местности и зданий на базе их цифровых проблемно-ориентированных моделей. Весь комплекс экспериментальных исследований поведен непосредственно автором или с его участием. В работах, написанных в соавторстве, диссертанту принадлежит участие в постановке задачи, определении методов ее решения, обработке данных и интерпретации их результатов.

Апробация результатов исследования и публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 41 публикации, в том числе в 16-ти статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК - "Доклады академии наук", "Радиотехника, "Электромагнитные волны и электронные системы", "Наукоемкие технологии", "Нелинейный мир", "Геоинформатика", "Вестник Московского университета", "Экология урбанизированных территорий", 6-ти монографиях, препринте, учебном пособии и других печатных работах (полный перечень приведен в конце автореферата).

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII международной конференции "Ломоносов 2001", XI международной конференции "Ломоносов - 2004", на заседаниях международной конференции

"Ломоносовские чтения 2004", на IV Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика) 2004" (секции "прикладные аспекты экологической физики" и "вопросы экологического образования"), III Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь 2009" в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, IV Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь 2010" в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, на конференции "3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications" (Пекин, 2009), конференции "Экосистемы, организмы, инновации - 11" (2009 г., биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова), конференции "Экосистемы, организмы, инновации - 12" (2010 г., биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова), семинаре "Математическое моделирование волновых процессов" (Российский новый университет, 2013 г.), а также на семинарах кафедры рационального природопользования географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Центра гидрофизических исследований, кафедр биофизики и физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений. Общий объем диссертации - 364 страницы, приложений - 13 страниц. Общее число рисунков в работе - 162, таблиц - 42. Список литературы включает в себя 285 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность системной интеграции методов моделирования радиофизических процессов, технологий геопространственного моделирования среды и экспериментального изучения пространственной неоднородности электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Проводится краткий обзор методов распространения радиоволн, в том числе с позиций их адаптированности к использованию цифровых моделей среды высокой детализации и достижимого пространственного разрешения. Определяются теоретико-методологические основы исследования, а также цель и задачи диссертационной работы. Излагаются основные положения выносимые на защиту, сведения об апробации работы, ее практической значимости и научной новизне.

В первой главе, в разделе 1.1, предлагается классификация физических характеристик среды, включая ЭМП РЧ, учитывающая особенности инструментальных методов объективного контроля, специфику воздействия на среду и сложившиеся подходы к их нормированию в технологических задачах и в целях обеспечения безопасности. Показано, что практика натурных исследований ЭМП РЧ имеет ряд методологических и организационных особенностей, связанных с рядом отличий физического эксперимента в условиях недетерминированных сред: применение узкоспециализированных измерительных средств и методов измерений, приоритет in-situ измерений и работа в условиях высокой пространственной неоднородности физических полей, зависящая от ряда трудно детерминируемых факторов.

Показано, что особенности урбанизированных сред и наличие в их пределах значительного числа радиопередающих объектов формируют общие

требования к пространственному разрешению экспериментальных исследований ЭМП РЧ, составляющие от 30...100мдо 2...10м в зависимости от локальных особенностей, что соответствует масштабам изысканий 1:10 ООО...1:2 ООО; в условиях помещений детальность измерений должна соответствовать метровому-субметровому разрешению, соответствующему масштабам 1:500... 1:200 и крупнее.

В разделе 1.2. на основе литературного обзора проводится анализ методов моделирования пространственного распределения уровней ЭМП РЧ. В разделах 1.2.1-1.2.4 рассмотрены простейшие детерминированные методики моделирования распространения радиоволн, базирующиеся на интерференционной формуле Введенского, и статистические методы прогнозирования уровня ЭМПРЧ, основанные на эмпирических графиках затухания радиосигнала. Проанализированы методы моделирования процессов дифракции и отражения радиоволн, основанные как на точных решениях задач дифракции для проводящих или поглощающих тел простой геометрической формы, так и на менее требовательных к вычислительным ресурсам методах геометрической и единой теорий дифракции.

В разделе 1.2.5 рассмотрены геометрооптические методы (ГО) моделирования распространения радиоволн. Показано, что ГО методами возможен расчет пространственного положения радиотрассы, при этом среда распространения радиоволн рассматривается как совокупность отражающих поверхностей, ребер дифракции и полупоглощающих объемов. ГО методы адаптированы к геометрической форме представлению данных (т.е. векторной модели данных) о местности, используемой при создании цифровых моделей с применением геопространственного моделирования. ГО методы могут задействовать в расчетах двух- и трехмерные модели местности высокой детализации, при этом для заданной точки пространства вычисляется не только величина электромагнитного поля, но и определяются конкретные радиотрассы, благодаря чему становится возможным идентификация конкретных объектов на ребрах которых происходит дифракция волны или отражение от их боковых поверхностей.

Раздел 1.2.6 посвящен методу параболического волнового уравнения, который отличается относительно невысокими требованиями к вычислительной платформе, хорошей скоростью расчета и возможностью работы с трехмерной моделью среды. Он позволяет моделировать распространение радиоволн через среду с неоднородными диэлектрическими характеристиками, но в условиях резких перепадов высот требует специальной предварительной подготовки цифровых данных о местности: добавление в модель рельефа зданий в качестве его структурных элементов. Также конечная точность картографических материалов налагает ограничения на минимальные высоты препятствия и расстояния между ними, корректно учитываемые при моделировании, а в ряде случаев приводит к необходимости локального осреднения высоты препятствий при их значительных вариациях.

В разделе 1.2.7 проанализированы возможности численных методов электродинамики. Данные методы являются одними из самых потенциально точных, но из-за высокой вычислительной трудоемкости они используются на ограниченных объемах, чаще всего для моделирования распространения ЭМП РЧ внутри помещений. Показано, что наиболее перспективным является использование специальных приложений электродинамических расчетов с развитым функционалом пространственного моделирования, таких как программный продукт CST Microwave Studio, в котором реализован один из наиболее применяемых численных методов - метод конечных интегралов, не устанавливающий теоретических ограничений на степень детализации цифровой модели среды.

В разделе 1.3 проведен критический анализ методов моделирования распространения радиоволн с применением технологий геопространственного моделирования. Показано, что применение последних в основном сводится к анализу зон видимости радиопередатчиков, прогнозированию распределения поля на базе статистических методов с пространственным разрешением 50...500м и грубее и декомпозиции пространственно-координированных данных с выделением отражающих поверхностей/ребер дифракции для проведения расчетов на базе геометрооптических методов с пространственным разрешением порядка десятков метров. Выявлено, что верификация точности прогноза ЭМП РЧ, выполненного с применением систем геопространственного моделирования, обычно, ведется посредством измерений вдоль сети профилей, что приводит к сильно локализованному характеру точностных оценок и ограничивает возможность их декомпозиции по преобладающим радиофизическим процессам.

В связи с этим, показано, что актуальна разработка новых методов проведения пространственно-неразрывных радиотехнических измерений, методов визуализации их результатов и проведения оценки точности прогноза ЭМПРЧ как по всей совокупности измерений, так и с декомпозицией по преобладающим процессам распространения радиоволн.

В разделах 1.4-1.5 проводится обзор экспериментальных методов исследования пространственных вариаций ЭМП РЧ на обитаемых территориях и в помещениях. Показано, что исследования ЭМП РЧ осуществляются посредством частотно-селективных, диапазонно-селективных и частотно-неселективных измерений. Последние два вида измерений позволяют оценивать напряженность поля по полосам частот отдельных радиосервисов или интегрально по широкой полосе частот (до нескольких гигагерц и более) соответственно, в том числе при недостатке информации о характеристиках радиопередающих объектов.

По результатам опубликованных исследований выявлено, что размеры пространственных неоднородностей ЭМП РЧ в урбанизированных средах в зависимости от локальных условий и длины волны варьируются от десятков сантиметров до десятков метров, при этом амплитуда вариаций составляет 5...30 дБ и более. Аналогичные по амплитуде вариации поля фиксируются

внутри помещений вследствие неравномерного проникновения радиосигнала сквозь оконные проемы и распространения излучения от внутренних радиопередающих устройств, что формируют очень сложную в пространственной и спектральной областях электромагнитную обстановку внутри зданий, расположенных вблизи радиопередающих установок и имеющих внутреннюю инфраструктуру средств беспроводной связи.

Во второй главе рассматриваются методы создания радиотехнических моделей местности (раздел 2.1) и зданий (раздел 2.2) с применением геоинформационных систем (ГИС).

В разделе 2.1.1 проведен критический анализ современной практики создания цифровых моделей окружающей среды, характеризующейся применением многочисленных источников первичных данных о местности: цифровых топографических планов, данных дистанционного зондирования высокого линейного разрешения (2..3 метра и лучше), данных наземной и воздушной лазерной и фотографической съемок местности. Выявлено, что на практике наибольшее внимание уделяется технологическим приемам увеличения визуальной адаптивности пространственных моделей посредством фототекстурирования поверхностей зданий/сооружений и

высокополигонального моделирования их геометрии, особенно применительно к выдающимся и уникальным объектам.

На основе проведенного анализа показано, что благодаря многообразию решаемых с помощью ГИС прикладных задач, практически весь спектр возможных практических реализаций геоинформационных проектов можно отнести к цифровым проблемно-ориентированным моделям (ЦПОМ) местности/помещений, которые определяются как цифровые модели местности содержание и форма представления которых определяется пользователем [Л14].

В разделе 2.1.2 рассматриваются базовые принципы создания радиотехнических моделей местности на базе ЦПОМ. Показано, что для обеспечения проведения расчета пространственного распределения уровня электромагнитного поля радиотехническая модель местности должна быть создана на базе пространственно-координированных данных с корректной метрикой в семантическое описание которых внедрена информация (с использованием единой системы кодировки) о типе подстилающей поверхности и ее рельефе, о материале постройки наземных объектов и их высоте, что обеспечивает проведение соответствующих радиофизических расчетов. Также в пространственной модели должна содержаться информация о параметрах источника радиосигнала (высота антенны, частота и мощность передатчика) и условиях проведения экспериментальных исследований (координаты расположения точек приема радиосигнала, измеренный уровень поля и т.п.).

Выявлено, что для практической реализации задач моделирования радиофизических процессов в среде ГИС необходимо создание

специализированного программного обеспечения, осуществляющего проведение расчетов на базе цифровых данных о местности с использованием соответствующих математических алгоритмов. Осуществить эту задачу возможно благодаря совместимости ГИС со стандартными средами разработки программного обеспечения (Microsoft Visual Basic) и с интерфейсами программирования (Microsoft Component Object Model), что позволяет создавать новые программные продукты в виде модулей расширения ГИС {ActiveX) и динамических библиотек .dll.

В разделе 2.1.3 подробно рассмотрены методы использования ГИС в задачах обработки данных радиотехнических измерений. Проанализированы методы применения ГИС в задачах сбора, анализа и последующей визуализации пространственно-распределенных данных о параметрах физических полей в окружающей среде. Рассмотрены методы перехода от дискретных измерений в отдельных точках к непрерывным метрически корректным и пространственно-привязанным растровым поверхностям посредством математической интерполяции, позволяющие проводить достоверную оценку электромагнитной обстановки в любой точке пространства в рамках границ исследования, при этом применение методов интерполяции с т.н. "барьерами" обеспечивает возможность исключения из обработки выделяемых пользователем участков местности на которых измерения не проводились или плотность сети измерений недостаточна.

Рассмотрены оригинальные методы обработки данных профилирования ЭМП РЧ, обеспечивающие переход от линейно-точечного представления данных (например, т.н. GPS-трека) к линейной цифровой модели профиля. Предлагаемые методы основаны на трансформации типа геометрического примитива (переход к линейному объекту в котором точки измерений становятся его вершинами) и введении новой линейной системы координат профиля (Мкоординаты), т.е. расстояния от начала профиля в заданных единицах измерения. В результате исследователь получает в явном виде в атрибутивной таблице слоя данных пары значений Fi(M), где F, - значение искомого фактора в данной точке профиля, расположенного на расстоянии М от его начала, что удобно для последующего целевого анализа данных.

Рассмотрены методы использования встроенных функций ГИС в задачах проблемно-ориентированной визуализации данных радиотехнических измерений, анализа пространственной неоднородности физических полей, расчета величин локальных градиентов непрерывных растровых распределений физических полей и интегральных показателей на базе растровой модели данных.

Расчет локального градиента поля (G, дБ/м) на базе его непрерывной растровой метрически-корректной модели основан на использовании адаптированной встроенной функции ГИС по анализу цифровых моделей рельефа. Величина G характеризует локальное значение градиента величины z в пределах скользящего окна размером 3x3 пикселя (рис. 1). Для квадратного пикселя со значением е и со стороной равной р значение G определяется с

помощью (1)-(3) на базе значений соседних пикселей (а.../) [Л 13]. Массив рассчитанных значений й для данной растровой матрицы формирует новый растр с идентичной пространственной привязкой, что позволяет проводить пространственный анализ вариаций этой величины в пределах границ охвата эксперимента.

а ь с

а е /

я А <

сЬ_ ск

Оу

«¿Л2 (сЬ\

(с + 2/ + i)-(a + 2d + g) 8 р

^ + 2И + 0 - (а + 2Ъ + с) 8 р

(1) (2) (3)

Рис. 1. Скользящее окно размером 3x3 пикселя.

Основой для расчета интегрального показателя (Г) на основе пространственно-привязанных растровых матриц служит функция расчета суммы значений пикселей растра, встроенная в современные ГИС пакеты:

1 = А-±Р„ (4)

где F¡ - значение г-го пикселя растровой поверхности; А - площадь пикселя, м .

Для получения корректных данных с помощью (4) необходимо чтобы искомый растр удовлетворял следующим требования: а) был корректно пространственно привязан к исследуемой территории/модели помещения; б) охватывал целиком область для которой проводится расчет (при покрытии области несколькими растрами необходимо отсутствие их перекрытия); в) был метричным — размер пикселя должен быть точно известен и выражаться в единицах измерения цифровой модели местности; г) единицы измерения параметра (Т7,) также должны быть выражены в метрической системе единиц. При выполнении этих условий расчет интегрального показателя I будет эквивалентен вычислению поверхностного интеграла при заданных значениях искомой функции в каждой точке (значение пикселя) и конечном шаге дискретизации искомой поверхности (размер пикселя). Величина 1 в зависимости от единиц измерения может выражать широкий спектр важных показателей: общую массу загрязнителя (при Fi в кг/м2), суммарный поток излучения на поверхность местности (при Т7, в Вт/м2) и т.д.

В разделе 2.1.4 рассматриваются результаты создания радиотехнической модели городского микрорайона на базе цифровой проблемно-ориентированной модели (ЦПОМ) территории. Рассмотрена технология создания радиотехнической модели микрорайона для прогноза электромагнитной обстановки посредством формирования трехмерной, непрерывной и связной поверхности вдоль которой происходит распространение радиоволн, которая обладает объектно-ориентированной, цельной и топологически-определенной структурой и включает описание пространственного распределения электродинамических параметров. При этом информация о материале постройки сооружений, типе подстилающей

поверхности и о высотах объектов и зеленых насаждений содержится в атрибутивных таблицах соответствующих векторных слоев.

В результате преобразований исходной информации о территории структура данных радиотехнической модели городского микрорайона включает в себя цифровое описание следующих элементов среды распространения радиоволн: непрозрачной, трехмерной, непрерывной поверхности вдоль которой происходит распространение радиоволн, находящихся на этой поверхности полупрозрачных поглощающих объемов зеленых насаждений, а также координат отражающих многоугольников и ребер дифракции; на рис. 2 приведен внешний вид трехмерной радиотехнической модели городского микрорайона.

В разделе 2.1.5 рассматриваются результаты интеграции радиотехнической модели городского микрорайона в комплексную цифровую проблемно-ориентированную модель урбанизированной территории г. Москвы, включающей площадь ранее описанного микрорайона и ряда прилегающих территорий, сформированной из нескольких массивов разномасштабных и разноформатных данных. Унификация структуры данных комплексной модели и их семантического описания обеспечило ее успешное использования для обработки и визуализации данных радиотехнических и других физических измерений. Внешний вид трехмерной комплексной ЦПОМ приведен на рис. 3.

Рис. 2. Трехмерная

радиотехническая модель городского микрорайона на базе экспериментально

уточненных данных о высотах объектов

Рис. 3. Внешний вид трехмерной комплексной г/ифровой проблемно-ориентированной

модели участка г. Москвы.

местности.

В разделе 2.2 рассматривается методология создания радиотехнических моделей зданий на базе их ЦПОМ. В разделе 2.2.1 проведен критический анализ современной практики создания цифровых моделей зданий и сооружений. Выявлено, что создание высокодетализированных моделей зданий в среде ГИС ведется преимущественно на основе готовых к использованию первичных материалов, экспортированных из систем автоматизированного проектирования. При этом первоочередное внимание уделяется визуальной корректности создаваемых моделей, а также, в большинстве случаев, отсутствуют общие подходы к структурированию цифровой информации об элементах здания и требования к их метрико-семантическому описанию и не

предусматриваются возможности дальнейшего экспорта созданных моделей из среды ГИС в другие приложения и/или форматы данных.

В разделе 2.2.2 с учетом результатов проведенного анализа излагается новая, полностью оригинальная методология создания цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий в среде ГИС на основе инженерно-строительной документации. Методология отвечает совокупности следующих целевых критериев: адаптированность к де-факто существующей структуре и форме представления исходных данных о физическом объекте (здании), адекватное отражение особенностей реальной вещественной и измеримой внешней и внутренней структур существующего физического объекта (здания), наличие структуры цифровых данных, обеспечивающей возможность их экспорта/импорта в различные приложения, в том числе для дальнейшего их использования в задачах электродинамического моделирования.

Разработанная методология основана на технологии двойного адаптивного структурирования данных, в рамках которой информация о строении здания квантуется на отдельные простые элементы, адаптируясь под реально существующие механически единые материальные объекты, а затем совокупность этих элементов еще раз структурируется, адаптируясь к специфике и ограничениями виртуальной среды в которой проводится моделирование и одновременно к требованиям, обеспечивающим проведение моделирования физических процессов в этой среде. Практическая реализация указанной технологии состоит в следующем:

1. Вся внутренняя структура здания должна быть разбита на совокупность малых простых элементов ("цифровых кирпичиков"), которые могут с достаточной степенью точности аппроксимировать все элементы постройки.

2. Поскольку реальные здания представляют из себя механически единые структуры, должна обеспечиваться легкая и топологически верифицируемая стыковка простых элементов виртуальной модели с нулевым координатным зазором, т.е. с соответствием координатного описания стыкующихся граней.

3. В силу п. №№ 1 и 2 основным элементом цифровой двухмерной модели здания должен стать прямоугольник (или в обоснованных случаях многоугольник максимально простой формы со сторонами, представленными линейными отрезками), который при переходе к трехмерному представлению в 2,5 мерной среде ГИС перейдет в параллелепипед (правильную призму).

4. Из-за сильно вариативного характера размеров разных конструкционных элементов зданий и конкретных задач, стоящих перед исследователем, размер элементарного элемента моделирования может быть и должен быть различным при условии сохранения его базового геометрического типа.

5. Совокупность простых элементов здания должна быть структурирована таким образом, чтобы выделенные группы объединяли однородные по функциональному назначению, составу (строительному материалу) и семантическому описанию трехмерных свойств (в условиях 2,5 мерной среды ГИС) элементы, причем перечень групп элементов должен быть максимально близок для каждого высотного уровня здания (этажа).

Описание технологии создания ЦПОМ зданий в среде геоинформационной системы АгсЫБ дано в Приложении № 2 к диссертационной работе.

В разделе 2.2.3 рассматриваются результаты создания цифровой проблемно-ориентированной высокодетализированной модели крупного многоэтажного здания (общая площадь более 37 ООО м2) физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова на базе его поэтажных планов. ЦПОМ здания включает 57 слоев данных (в формате шейп-файлов), разделенных на 9 групп в соответствии с этажами и примыкающими секциями здания; проведено сопряжение ЦПОМ с моделью прилегающей к зданию местности. Контрольные измерения, проведенные в ряде помещений, показали отклонение фактических размеров помещений от их виртуальных аналогов в пределах 0,15...0,20 м и менее. Общее количество структурных элементов модели составляет 11438 единиц, объем дискового пространства, занимаемый векторной ЦПОМ, составляет 5,54 мегабайта. Внешний вид трехмерной модели здания физического факультета и прилегающей местности приведен на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид трехмерной высокодетализированной цифровой проблемно-ориентированной модели здания физического факультета МГУ и

прилегающей местности.

В разделе 2.2.4 рассматриваются результаты создания модели участка здания физического факультета МГУ сверхвысокой детализации общей площадью 3 420 м2, включающей детальные модели оконных проемов, стационарных металлических предметов интерьера и уточненные (по размерам и местоположению) элементы ЦПОМ базового уровня детализации. В состав ЦПОМ участка здания сверхвысокого разрешения вошло 30 слоев пространственно-координированных данных (в формате шейп-файлов) из которых 10 слоев были взяты из модели базовой детализации; общее количество структурных элементов модели составило 5 825 единиц; отклонение реальных размеров элементов оконных блоков от габаритов их виртуальных аналогов не превышало 0,03...0,05 м; объем дискового пространства, занимаемый векторной ЦПОМ сверхвысокого разрешения, составил 4,92 мегабайта. Внешний вид трехмерной цифровой модели участка здания сверхвысокой детализации представлен на рис. 5.

^ш*1 i-'j^?1 vV 010I

Рис. 5. Внешний вид цифровой проблемно-ориентированной модели участка здания физического факультета МГУ сверхвысокой детализации.

В разделе 2.2.5 рассматривается технология создания радиотехнической модели здания в среде электродинамического моделирования CST Microwave Studio на базе ранее созданной ЦПОМ. Показано, что особенности разработанных принципов формирования цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий (в части требований к структуре данных) обеспечивают создание радиотехнической модели здания высокой и сверхвысокой (при использовании соответствующей ЦПОМ) детализации посредством экспорта ЦПОМ в твердотельную модель (3D Solid) в среде AutoCAD и далее в формат .sat, поддерживаемый приложением электродинамического моделирования CST Microwave Studio.

Пространственно-геометрическая декомпозиция твердотельной модели здания также позволяет осуществить переход к представлению ее элементов посредством двухмерных (грани) и одномерных (линии ребер) примитивов с возможностью их обратного импорта в среду ГИС, например, для интеграции с другими проектами, основанными на методах поверхностного моделирования геообъектов, что подтверждает универсальность предлагаемых методологических принципов моделирования зданий и широкие возможности их прикладного использования.

В третьей главе диссертации рассматривается применение радиотехнических моделей среды в прогнозировании условий распространения радиоволн.

В разделе 3.1 рассматривается практическая реализация алгоритма прогнозирования электромагнитной обстановки в метровом-дециметровом диапазоне в условиях городской среды, основанного на геометрооптическом приближении. Предлагаемый алгоритм прогнозирования электромагнитной обстановки включает в себя следующие процедуры:

♦♦♦ Определение пространственного расположения траекторий распространения электромагнитных волн методом псевдоисточника радиосигнала, использующего геометрическое представление объектов окружающей среды

❖ Расчет ослабления радиосигнала за счет потерь в свободном пространстве

❖ Моделирование эффектов отражения электромагнитных волн

❖ Моделирование эффектов дифракции электромагнитных волн

❖ Расчет ослабления радиосигнала при прохождении сквозь объемы зеленых насаждений

•> Расчет суммарной величины электромагнитного поля в точке приема, формирующегося несколькими лучами

Для определения пространственного расположения траекторий распространения электромагнитных волн был использован, описанный в литературе [JI3], метод псевдоисточника радиосигнала {image method of ray tracing), который наиболее эффективно использует принятое в ГИС геометрическое описание формы и местоположения объектов местности. Данный алгоритм был успешно адаптирован [Л 15] к использованию в среде и к форматам данных геоинформационной системы (ГИС) Arc View производства компании ESRI (США).

При использовании описываемого метода псевдоисточник радиосигнала формирует отраженные от плоскостей стен зданий, сооружений и подстилающей поверхности вторичные отраженные лучи и вторичные источники лучей, дифрагировавших на кромках строений. При этом вертикальные стены домов рассматриваются как зеркала, коэффициент отражения от которых зависит от электродинамических свойств поверхности. Пример определения траекторий распространения радиосигнала методом псевдоисточника приведен на рис. 6. Отраженная волна, идущая от источника радиосигнала, освещает объекты, расположенные внутри сектора, определенного законами отражения от плоской поверхности, взаимным расположением источника и отражающей плоскости, а также границей стены, от которой происходит отражение. Возможность освещения стены первичным источником определяется граничными точками стены и ее ориентацией.

Из рис. 6 видно, что псевдоисточник первого порядка зеркально симметричен первичному источнику относительно плоскости стены. Сектор его освещенности задается лучами, исходящими из него и пересекающими отражающую стену в её вершинах, а также самой стеной. Стены, попадающие в сектор освещенности, могут отражать падающую волну и образовывать псевдоисточники более высоких порядков. Границы зоны освещенности от псевдоисточника определяются областью пересечения отражающей стены и сектором освещенности псевдоисточника.

Расчет ослабления радиосигнала за счет потерь в свободном пространстве вдоль полностью открытой радиотрассы или ее открытого участка/участков в рамках алгоритма ведется путем расчета затухания мощности радиосигнала (L, дБ) в свободном пространстве, учитывающего длину радиотрассы (d) и длину радиоволны (к), (5):

L = 10 lg(4n-d/X)2 (5)

МНИМАЯ ПЛОСКОСТЬ

ПЕРЕДАТЧИК

МНИМАЯ чПЛОСКОСТЬ

ПРИСВОЙ пвсв1£«-0-

МОДУЛЬ ПОДГОТОВКИ ЗАДАНИЯ НА РАСЧЕТ |АгсУ]с--у|

МОДУЛЬ УПАКОВКИ ТЕКСТОВЫХ ДАННЫХ МОДУЛЬ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ МОДУЛЬ ИМПОРТА РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА (АгсХЛеж) ОТОБРАЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА (АгсУю*)

комплекса программ для расчета электромагнитного поля и обработки экспериментальных

данных.

Рис. 6. Алгоритм построения Рис. 7. Общая схема взаимодействия псевдоисточников радиосигнала и определения расположения уровня

траекторий распространения

радиоволн [ЛЗ],

Для моделирования процессов отражения электромагнитных волн, а также расчета ослабления радиосигнала вызванного отражением от плоскости препятствия, используются интерференционные формулы Френеля, т.к. электродинамические свойства объектов городской среды (большинства строительных материалов и почво-грунтов) обеспечивают выполнение критерия их применимости.

При моделировании эффектов дифракции, возникающих при распространении радиоволн в условиях города, используется метод единой теории дифракции на поглощающей полуплоскости, который учитывает электродинамические параметры среды. При этом экранировка радиоволн зданием заменяется экранировкой соответствующим экраном в виде полуплоскости.

Расчет ослабления радиосигнала при прохождении сквозь объемы зеленых насаждений осуществляется путем введения дополнительного затухания электромагнитной волны внутри объема, занятого растительностью. Используются следующие значения удельного затухания: потери прохождения радиоволн на первых 5 метрах растительного массива составляют 0,5 дБ/м, а затем снижаются до 0,05 дБ/м.

Расчет суммарной величины электромагнитного поля в точке приема, формирующегося несколькими лучами, производится путем суммирования комплексных амплитуд отдельных лучей - (6), где Еш - напряженность суммарного поля, дБ; Е, — напряженность поля, создаваемая г'-м лучом в точке приема; X - длина волны; с?- длина радиотрассы.

£Ьи=201ё

К.

,1

(6)

В разделе 3.2 рассматривается использование средств ГИС в задачах визуализации и обработки данных радиофизического моделирования, а также обработки экспериментальных данных. Данные процедуры осуществляются с

помощью набора оригинальных программных модулей расширения ГИС Arc View, интегрированных в интерфейс базового приложения, и независимого модуля, проводящего радиофизические расчеты на основе исходных данных (плановое и высотное расположение точек для которых рассчитывается величина поля, местоположение передатчика, а также его мощность и частота), работающего во взаимодействии с геоинформационной системой. Общая схема взаимодействия данного комплекса программ приведена на рис. 7.

Результаты радиофизических расчетов импортируются в приложение ArcView (в формате линейного шейп-файла), содержащего вычисленные траектории распространения радиоволн, в виде трехмерных линий, в атрибутивных таблицах которых содержатся все количественные результаты расчета (напряженность поля в точке приема в дБмкВ/м, задержка радиосигнала в микросекундах и др.). Также производится расчет среднеквадратического отклонения (в дБ) результатов прогноза уровня электромагнитного поля от измеренных значений в соответствующих точках. В разделе подробно описаны возможности ГИС ArcView по визуализации рассчитанных траекторий распространения радиоволн как в рамках двухмерной, так и трехмерной модели местности, что обеспечивает проведение детальной пространственной декомпозиции результатов расчета, в том числе по преобладающим радиофизическим процессам, см. далее рис. 8.

В разделе 3.3 рассматривается практическая реализация прогнозирования пространственной структуры радиочастотного электромагнитного поля в условиях помещений, основанная на применении метода конечных интегралов (Finite Integration Technique — FIT) в среде специализированного программного обеспечения CST Microwave Studio. Данный метод имеет высокую эффективность в условиях ограниченного пространственного охвата (десятки длин волн) и в кусочно-однородной анизотропной среде с размерами неоднородностей, сравнимыми с длиной волны, что характерно для внутренних объемов зданий [JI16]. Метод FIT обеспечивает универсальную схему пространственной дискретизации, которую можно применять к различным случаям начиная со статического поля и заканчивая расчетами в радиодиапазоне во временной и частотной областях.

В рамках FIT уравнения Максвелла рассматриваются в интегральной форме. В процессе численного решения этих уравнений в среде CST Microwave Studio пользователем определяется область расчета. Далее создается сетка расчета, разбивающая эту область на ячейки, - эту сетку называют первичной. Затем вводится еще одна, вторичная или двойная сетка, которая строится ортогонально первичной. Пространственная дискретизация уравнений Максвелла производится на этих двух ортогональных сетках. После этого уравнения Максвелла отдельно записываются для каждой грани ячейки и формируется набор т.н. сеточных уравнений Максвелла, представленный ниже [Л 17]:

(9)

(V)

S A = q

5Ъ = 0

(10)

(8)

Для прогнозирования пространственной структуры ЭМП РЧ в среде CST Microwave Studio была использована радиотехническая модель участка здания физического факультета МГУ, созданная на базе ЦПОМ сверхвысокого разрешения, преобразованная в формат твердотельной модели и импортированная в указанное приложение электродинамического моделирования. Также в CST Microwave Studio были интегрированы характеристики и местоположения передатчиков и цифровая модель сети экспериментальных измерений.

В среде CST Microwave Studio были выполнены расчеты на частотах 400 МГц и 900 МГц для участка этажа здания физического факультета МГУ для горизонтальной плоскости на высоте 2 м от пола. Используемые при моделировании фрагменты цифровой модели здания включали как непосредственную область проведения измерений, так и соседние примыкающие помещения общей площадью около 100 и 400 м2 соответственно. Расположение области расчетов и частоты соответствовали натурному эксперименту по изучению распределения электромагнитного поля в этих помещениях, что позволило оценить точность прогноза уровня поля (см. раздел 3.5).

В разделе 3.4 рассматриваются результаты оценки точности прогноза уровня электромагнитного поля 100 МГц в условиях городского микрорайона с применением его радиотехнической модели. Оценка точности прогноза осуществлена посредством сравнения экспериментальных данных об уровне электромагнитного поля 100 МГц в 447 точках с расчетным, полученным с применением разработанного алгоритма, основанного на геометрооптическом приближении (раздел 3.1). Среднеквадратическая ошибка прогноза по всему массиву данных составила 8,5 дБ для обоих частот на расстояниях 50...950 м от передатчика, что хорошо согласуется с литературными данными. В большинстве точек измерения уровень электромагнитного поля формируется 2-мя или более лучами. Общее количество рассчитанных траекторий при условии однократного отражения луча от земли или здания составило 790 лучей, рис 8.

Была проведена оценка точности прогноза уровня ЭМП 100 МГц при различных локальных условиях распространения радиоволн путем сравнения с экспериментальными данными на соответствующих участках местности. Среднеквадратическая ошибка прогноза составила: 4...5 дБ в зонах радиотени, при преобладании дифракционных процессов, 5... 7 дБ в зонах полной/частичной оптической видимости передатчиков и 7...9дБ в зоне преобладания процессов отражения электромагнитных волн. Снижение точности прогноза уровня электромагнитного поля в условиях оптической видимости излучателя происходит из-за неучета неравномерности диаграммы направленности антенны, а при преобладании процессов отражения из-за

недостатка данных о характеристиках и неучета мелких деталей отражающих поверхностей (стен зданий). Время необходимое для проведения радиофизических расчетов с использованием разработанного программного обеспечения на персональной ЭВМ не превышает 2...4 минут при количестве обрабатываемых точек приема радиосигнала в диапазоне 50.. .450 единиц.

Рис. 8. Трехмерное

отображение траекторий распространения ЭМП

100 МГц (для одного из FM передатчиков) для 447 точек измерения в пределах городского микрорайона.

В разделе 3.5

рассматриваются результаты оценки точности

моделирования пространственного распределения электромагнитного поля 400 и 900 МГц методом конечных интегралов в среде CST Microwave Studio в условиях помещений с применением радиотехнической модели участка здания физического факультета МГУ. Сопоставление проводились с данными измерений в 60 точках на высоте 2 м от пола с пространственным разрешением 1 м в условиях учебной аудитории и прилегающего коридора для двух положений передатчика (внутри аудитории и в коридоре).

На рис. 9 приведен пример пространственного распределения уровней радиосигнала 900 МГц как по данным экспериментальных измерений, так и по результатам моделирования в среде приложения CST Microwave Studio при расположении передающей антенны внутри аудитории (уровни радиосигнала нормировании относительно точек, расположенных на расстоянии 1 м от передатчика). Для визуализации данные измерений были интегрированы в атрибуты точечного слоя сети измерений и осуществлен переход к непрерывным растровым поверхностям с помощью функций интерполяции в среде ГИС ArcGIS.

Сравнение результатов расчета среднего уровня поля в А/2 окрестностях точек пространства и результатов экспериментальных измерений показало, что их среднеквадратическое отклонение для 80 % площади, охваченной измерениями, варьировалось в диапазоне от 2,1 до 3,7 дБ, а для всей площади от 3,6 до 5,2 дБ для обоих изученных частот (400 и 900 МГц) и положений передающей антенны. Ограничение объема радиотехнической модели, использованной при моделировании, только до внешних границ непосредственно прилегающих помещений (100 м2) привело к повышению среднеквадратического отклонения не более чем 0,3 дБ, что свидетельствует о приоритетном значении локальных условий для распространения радиоволн в зданиях.

Рис. 9. Пространственное распределение уровня радиосигнала 900 МГц в помещениях по данным экспериментальных измерений (I) и моделирования в среде CST Microwave Studio (II); шаг цветовой градации 3 дБ; звездочка — передатчик; шаг регулярной сетки измерений 1 м.

Четвертая глава работы содержит подробное описание разработанных автором методов экспериментального исследования пространственно-распределенных радиофизических характеристик среды, основанных на частотно-селективных и частотно-неселективных радиотехнических измерениях и применении геоинформационны технологий.

В разделе 4.1 сформулированы основы общей методологии экспериментального исследования пространственной неоднородности электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Показано, что методология соответствующего физического эксперимента должна являться новым интегрирующим этапом развития ранее разработанных методов экспериментальной физики, базирующихся на современных контрольно-измерительных средствах. Выделены основные современные тенденции в развитии экспериментальных исследований ЭМП РЧ: повышение чувствительности и оперативности измерений, возрастание роли in-situ измерений, проведение измерений в сложных условиях внешней среды, при наличии помеховых воздействий, при априорной неопределенности характеристик (местоположения, мощности и спектра) источников ЭМП РЧ и свойств вмещающей их среды.

В таких условиях единственным способом обеспечения возможности проблемно-ориентированного анализа экспериментальных данных является их наложение на детерминированную основу, т.е. на цифровую модель местности, которая может стать ключевым фактором в выявлении физических процессов, формирующих пространственную неоднородность ЭМП РЧ. Ведущая роль пространственно-ориентированного подхода формирует следующую общую методологию эксперимента исследования пространственной неоднородности радиофизических характеристик среды, состоящую из совокупности

алгоритмов сопряжения и взаимоувязывания следующих групп программно-аппаратных средств и методов их применения:

1. Геоинформационных систем (ГИС) и оригинальных технологий создания и целевой адаптации цифровых проблемно-ориентированных моделей местности/зданий с последующим переходом к радиотехническим моделям среды.

2. Программно-аппаратных средств сопряжения данных радиотехнических измерений с цифровыми моделями местности, методов их пространственного анализа и визуализации, а также алгоритмов прогнозирования пространственной структуры физических полей.

3. Технических средств объективного контроля ЭМП РЧ и методов их использования при проведении измерений.

В разделе 4.2. приводится описание методов исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ посредством измерений на фиксированных частотах, удовлетворяющих следующим целевым критериям: выявление максимальных уровней поля, формирующихся за счет многолучевого распространения радиоволн, компенсация отклонения диаграммы направленности измерительной антенны от изотропной и обеспечение возможности применения портативных измерительных приемников и анализаторов поля в ходе натурных исследований пространственной структуры ЭМП РЧ.

В разделе 4.3 приведено подробное описание новой методологии исследования пространственной неоднородности и спектральных характеристик ЭМП РЧ посредством широкополосных частотно-селективных измерений. Методология обладает следующими принципиально новыми особенностями, позволяющими выявлять и идентифицировать источники радиоизлучения, проводить оценку электромагнитной безопасности и решать ряд смежных прикладных задач:

• методология широкополосных измерений является инвариантной относительно настроек отображения спектра на экране спектроанализатора; включает в себя процедуры сохранения и постобработки данных измерений;

• обеспечивает возможность оценки и документирования интегральных уровней ЭМП РЧ в конкретных спектральных полосах шириной до 100...200 МГц и более, в том числе для нужд правовой оценки, без априорной информации о спектре -распределении несущих, частотах ВССН каналов сотовой связи и т.п.;

• позволяет идентифицировать основные источники радиосигнала посредством частотной декомпозиции электромагнитного поля (GSM 900, GSM 1800, FM/TV вещание, Wi-Fi и т.п.);

• обеспечивает сопоставление уровней и спектров радиосигнала в различных пространственных точках и частотных диапазонах, в том числе с применением итеративного режима измерений с последовательным повышением спектрального разрешения;

• общие принципы на которых базируется методология являются инвариантными относительно специфики конкретных задач и могут быть использованы для

исследований процессов и явлений для которых необходимы широкополосные частотно-селективные измерения.

Основой методологии является анализ электромагнитного спектра без пропусков и перехлеста элементарных измерений внутри него; для этого искомый участок спектра разбивается на ряд узких полос. Радиосигналы в каждой из них рассматриваются как сигналы от отдельных источников, амплитуды которых при последующей обработке могут суммироваться или анализироваться раздельно. Это предопределяет следующие принципы использования анализаторов спектра в задачах широкополосных измерений:

1. В ходе измерений должен быть проанализирован весь исследуемый частотный диапазон. Это достигается за счет установки соответствующих границ (/¡tart и/stop) и полосы обзора анализатора спектра {Frequency Span - FS).

2. Полоса разрешения по частоте (Resolution Bandwidth - RBW) должна быть установлена равной RBW = FS/{N-1), где N - число точек перестройки в диапазоне частот FS (Sweep Points, обыкновенно в меню SWEEP). Детектор {Detector) должен быть настроен на фиксацию максимальных пиковых значений {Detector Max Peak). Видеофильтр (VBW) целесообразно перевести в режим автоматического выбора полосы {Video ВWAuto).

3. В качестве фильтра полосы разрешения {Filter Туре, обыкновенно в меню BW) должен быть установлен канальный (с близкой к прямоугольной АЧХ) фильтр {Channel Filter). При приоритете исследования спектральной структуры ЭМП РЧ, а не интегральных амплитудных характеристик радиосигнала, могут использоваться гауссовы {Gaussian Filter) частотные фильтры для унификации получаемых данных со сложившейся практикой и улучшения качества данных в частотной области.

4. Режим фиксации значений спектра {Trace Mode) должен быть настроен на фиксацию максимальных значений {Max Hold). Продолжительность измерения определяется произведением количества проходов по диапазону {Sweep Count) на длительность единичного прохода {Sweep Time) и должна обеспечивать стабилизацию индицируемых на экране значений. Для нестационарных и импульсных сигналов режим Max Hold может давать завышенные результаты, поэтому в таких случаях целесообразно использование режима усреднения спектра {Average). По окончании измерения полученные результаты (спектры) должны быть в текстовом виде записаны в память прибора для дальнейшей обработки на ЭВМ.

При проведении измерений в соответствии с изложенными принципами и при известной зависимости коэффициента усиления антенны от частоты и введении необходимой поправки к измерениям появляется возможность расчета относительного суммарного уровня радиосигнала VR в каждом из искомых диапазонов и проведение их сравнительного анализа. Если необходимо оценить вклад отдельных диапазонов, то целесообразно фиксировать уровни мощности радиосигнала в отдельных полосах, т.к. суммарная мощность радиосигнала в искомом диапазоне (Pr) равна сумме мощностей в отдельных полосах, что позволяет рассчитывать процентный вклад каждого источника. Расчет величин VR и PR ведется с помощью (11) и (12) соответственно.

Гл=Дт? (11) (12)

V /=1

V,- - зарегистрированный уровень Р, - мощность радиосигнала в г-ой

сигнала в /-ой полосе в линейной полосе в линейной мере, Вт; Ря —

мере, В; - интегральный уровень суммарная мощность радиосигнала в

радиосигнала в диапазоне, В. диапазоне, Вт.

В разделе 4.3 рассмотрен комплекс методов исследования влияния интерференционных эффектов и пространственной детализации измерений на объективность описания пространственной структуры ЭМП РЧ в условиях помещений посредством детерминирования следующих параметров: величины локальной неоднородности ЭМП РЧ за счет быстрых замираний поля, ошибки оценки среднего уровня поля по помещению за счет интерференционных эффектов, точности расчета среднего уровня поля по помещению в зависимости от пространственного разрешения измерений и вероятности отклонения средней величины поля в точке (в радиусе 1...2Х) от среднего по помещению на заданную величину.

Практическая реализация предлагаемых методов исследования включает проведение радиотехнических измерений в соответствии со следующими требованиями: высокое (метровое - субметровое) пространственное разрешение, полный охват площади искомого помещения, проведение измерений на одной высоте, применение приемной антенны с близкой к изотропной диаграммой направленности, временное осреднение уровня сигнала и использование метода малых смещений приемной антенны. Данная процедура также обеспечивает экспериментальное исследование фундаментальных ограничений на точность измерений уровня электромагнитного поля в условиях помещений в пространственной и амплитудной областях, возникающих за счет интерференционных эффектов.

Метод малых смещений приемной антенны состоит в следующем: в каждом пункте, входящем в сеть мониторинга, проводится несколько независимых измерений со случайным смещением (= >72) приемной антенны в горизонтальной плоскости относительно его центра: Ц...Ь"т, где Ь - результат измерения; п - номер базового пункта (п = 1.. .АО, а т — индекс единичного измерения.

Оценка влияния интерференционных эффектов на величину локальной неоднородности поля ведется посредством определения для каждой экспериментальной точки максимальной разницы Д" между т измерениями (13), а также средних Д1^ (14), минимальных Д'т" и максимальных Д'т^ значений Д" для всего помещения и среднеквадратического отклонения а(д'а„") величины Л1^':

к

Д-^тах^.Х^-тт^"...!;} (13) Л1^^ (14)

где Д" максимальная разница между единичными измерениями в пункте измерительной сети с номером п\ тах{£".../£,} и - максимальное и

минимальное значения среди единичных измерений 1 ...от в «-ом пункте соответственно; N- общее количество пунктов измерения.

Оценка влияния интерференционных эффектов на точность расчета среднего уровня поля по помещению ведется посредством расчета средних уровней сигнала по помещению (Ц""...!?™), при этом в расчет от каждой базовой пространственной точки измерения берется только одно из фактических измерений (15):

(15) | (16)

" «.1 Лук

В (15) N - общее число измерений в эксперименте; приведен пример расчета среднего по первому измерению (от = 1) в каждой точке - Ь\, и т.д. Это эквивалентно обработке т независимых массивов измерений по одному и тому же помещению со смещением точек измерения в разных массивах друг относительно друга на случайное расстояние. Оценка влияния быстрых замираний на точность расчета среднего уровня поля по помещению ведется посредством сравнения величин Цт..1%а как со средней величиной поля по помещению по всему массиву данных (£&"), так и между собой.

Оценка влияния пространственной детализации измерений на точность расчета среднего уровня поля по помещению. Для оценки объективности определения среднего уровня ЭМП РЧ по помещению от плотности измерительной сети исследуется величина Ет, являющаяся ошибкой определения среднего уровня поля по помещению на базе разреженной сети измерений (16), где среднее арифметическое значение уровня поля по

массиву единичных измерений с индексом от; сумма значений

случайной выборки с числом элементов равным Ы/к из массива

единичных измерений с индексом от; N — общее число пунктов измерений; к — целое положительное число. Ет есть отклонение рассчитанного среднего уровня поля по помещению, определенного на основе всего массива измерений по помещению, от среднего по разреженному массиву данных с индексом т, и, иными словами, есть характеристика устойчивости величины Ь""' относительно уменьшения количества точек измерения в к раз, и, соответственно, пространственного разрешения исследования, и как следствие, его время- и трудоемкости.

Поскольку вариации ЭМП РЧ, связанные с быстрыми замираниями, носят чисто случайный характер и маскируют общие закономерности распределения поля вводится еще одна характеристика для пункта проведения измерения: (17), являющаяся средним значением поля в точке по от фактическим точкам измерения, т.е. характеристикой поля в локальной зоне радиусом до 1...2 X, с осреднением влияния быстрых замираний.

Ъ1"

(17) = (18)

После расчета величин , становится возможным расчет вероятности отклонения Р величины поля в такой локальной зоне от среднего по помещению. На практике наибольший интерес представляет анализ вероятности отклонения локальных уровней радиосигнала для определенных фиксированный значений с! (в дБ), удобных для анализа - (18), где У7 -интегральная эмпирическая функция распределения случайной величины ~ ^"ц | > ^ ~ пороговое значение отклонения локального значения от

среднего по помещению, дБ.

В разделе 4.4 рассматриваются методы исследования пространственной структуры ЭМП РЧ посредством широкополосных (полоса до 3,45 ГГц и более) частотно-неселективных измерений в условиях территорий/помещений. Базируясь на оригинальных приемах их проведения, проблемно-ориентированной обработке данных в среде ГИС и использовании ЦПОМ местности/зданий разработанные оригинальные методы обеспечивают:

• выявление, визуализацию и проведение проблемно-ориентированного анализа пространственной неоднородности ЭМП РЧ посредством интерполяции растровых матриц с заданными метрическими параметрами, созданных в ГИС на основе сети экспериментальных измерений; выделение на местности зон с повышенной интенсивностью излучения, в том числе с превышением или критической близостью к нормативам;

• расчет максимальной локальной неоднородности ЭМП РЧ за счет интерференционных эффектов и анализ пространственного распределения данного параметра по обследованной территории за счет применения метода малых смещений приемной антенны;

• локализацию и оценку протяженности зон (инструментами ГИС) где повышенный уровень ЭМП РЧ формируется преимущественно за счет процессов отражения и рассеяния радиоволн; соответствующий алгоритм основан на анализе пространственного расположения контуров с равными абсолютными значениями напряженности поля, но полученными при разных режимах измерения, и позволяет определить зону влияния радиотехнического средства не выявляемую посредством измерений с длительным временем осреднения или недостаточным временным разрешением;

• расчет интегрального энергетического параметра электромагнитной безопасности - энергетической экспозиции территории, являющегося оценкой потока излучения на подстилающую поверхность при наиболее благоприятных условиях для поглощения радиоволн, генерируемых расположенными на местности радиотехническими объектами.

В большинстве случаев основной поток электромагнитного излучения от радиопередающих объектов направлен под небольшим углом к поверхности земли. Доля отраженной энергии определяется коэффициентом отражения,

зависящим от угла падения, поляризации и типа подстилающей поверхности — т.е. в общем случае трудно детерминируемых величин. Поэтому Q — интегральная энергетическая экспозиция территории (19), рассчитываемая для заданной территории на основе значений формирующих растровую матрицу, интерполированную по результатам измерений, есть оценка величины потока излучения ЭМПРЧ на территорию при наиболее благоприятных для поглощения радиоволн условиях:

(19)

где 5, — значение г-го пикселя растровой поверхности, Вт/м2; А - площадь пикселя, м2.

В условиях помещений методы частотно-неселективных измерений обеспечивают:

• выявление, визуализацию и проведение проблемно-ориентированного анализа в среде ГИС пространственной неоднородности ЭМП РЧ в пределах помещения;

• получение обобщенных характеристик, в том числе энергетических, параметров электромагнитной безопасности помещения;

• идентификацию основных путей проникновения ЭМП РЧ внутрь помещения и оценку их энергетической эффективности.

Практическая реализация разработанных методов в помещениях включает применение оригинальных алгоритмов расчета новых энергетических показателей электромагнитной безопасности: энергетической экспозиции помещения (0П) и энергетического дебета (Г) оконного (или любого другого) проема.

Через плоскость, параллельную полу помещения, охватывающую всю его площадь и располагающуюся на высоте максимальных значений ЭМП РЧ, проходят практически все компоненты многолучевого поля за исключением находящихся в параллельных плоскостях. Обобщенный энергетический показатель - энергетическая экспозиция помещения (£}п, дБ(мВт)) - оценка величины потока излучения сквозь поперечное сечение помещения на основе данных широкополосных частотно-неселективных измерений. Алгоритм расчета величины (20) представляет вычисление поверхностного интеграла по растровой матрице, интерполированной по результатам измерений, при заданных значениях искомой функции в каждой точке (значение пикселя) и конечном шаге дискретизации искомой поверхности (размер пикселя):

(20)

где ТУ, — значение г-го пикселя растровой поверхности, Вт/м2; 103 - коэффициент перехода от Вт к мВт; А - площадь пикселя, м2. (20) есть представление в логарифмической мере (19), т.к. принцип расчета этих параметров аналогичен, вместе с тем, представление результата в единицах дБ(мВт) делает более удобным сравнение нескольких величин.

Для расчета энергетического дебета Г используется соотношение (20), но в качестве исходных данных выступают измерения плотности потока энергии в вертикальной плоскости по всей площади оконного проема/-ов помещения. Таким образом, Г есть оценка потока излучения сквозь апертуру оконного проема, поступающего внутрь помещения (или в случае обратной задачи -выходящего в окружающую среду), что важно для идентификации путей проникновения ЭМП РЧ сквозь ограждающие конструкции.

В пятой главе проводится обсуждение и анализ результатов экспериментальных исследований пространственно-распределенных радиофизических характеристик среды в условиях городских территорий и непроизводственных помещений с применением разработанных автором оригинальных методов.

В разделе 5.1 приведены результаты исследований с помощью частотно-селективных измерений. В разделе 5.1.1 рассматриваются результаты исследований пространственной неоднородности электромагнитного поля 100 МГц (БМ диапазон) на территории городского микрорайона площадью 0,8 км2 посредством измерений на двух фиксированных частотах в 447 пунктах со средним пространственным разрешением 28,1 м. Выявлено, что в условиях микрорайона вариации уровня радиосигнала 100 МГц с амплитудой менее 5 дБ (от высоко расположенных на территории микрорайона антенн) фиксировались на приращениях расстояний от 30...90м до 200...300м. Средняя величина локального градиента поля составила 0,18 дБ/м (на локальных участках фиксировались значения до 0,5... 1,0 дБ/м). Обнаружено возрастание интенсивности радиосигнала на 18,2. ..19,9 дБ на верхних этажах зданий. Суммарный перепад уровня суммарного радиосигнала по микрорайону составил 58,2 дБ. Зоны радиотени за многоэтажными зданиями имели протяженность 30.. .70 м и глубину до 5.. .7 дБ на расстояниях до 250.. .300 м от радиовещательного центра и протяженность до 70...200м и глубину до 12,8...19,8 дБ на расстояниях более 300 м. На рис. 10 приведено распределение суммарного (по двум частотам) радиосигнала на обследованной территории.

В разделе 5.1.2 рассматриваются результаты исследований пространственной неоднородности ЭМПРЧ в условиях проникновения БМ радиосигнала сквозь оконные проемы учебной аудитории площадью 49 м2 посредством измерений в 59 точках на двух фиксированных частотах со средним пространственным разрешением 0,95 м. Выявлено, что перепад амплитуд радиосигналов в аудитории составлял от 14,4 до 19,1 дБ; размер пространственных неоднородностей с колебаниями поля менее 5 дБ для суммарного радиосигнала составлял от 0,8... 1,5м до 2,5...5 м. Среднее значение локальных градиентов уровня поля составили 3,4 дБ/м; на 2,6...3,6 % площади помещения локальный градиент поля доходил до 10,1... 15,0 дБ/м.

Рис. 11. Пространственное распределение величин локальных градиентов уровня радиосигнала на частоте 6 ГГц в двух аудиториях; передатчик расположен в аудитории справа; шаг регулярной сетки измерений 1 м; отображены изолинии уровня радиосигнала с шагом 5 дБмкВ.

100 м 200 м 300 м

Рис. 10. Пространственное распределение суммарного радиосигнала по территории микрорайона (цветовыми градациями и изолиниями показано изменение уровня радиосигнала на 5 дБмкВ); также нанесены точки проведения измерений.

-•-1а. 6 ГГц —*—2. 6 ГГц -* -3, 12 ГТи - ■*• -16. 6 ITn

Рис. 12. Вероятность (Р) отклонения уровня поля в точке (¿1от среднего по помещению (L'^J в зависимости от величины отклонения для 4-х экспериментов (№№ 1а, 16, 2 и 3)

В разделе 5.1.3 рассматриваются результаты экспериментальной апробации методологии широкополосных частотно-селективных измерений ЭМП РЧ в условиях помещений посредством проведения серии широкополосных измерений радиосигналов в пяти частотных диапазонах: FM, GSM 900 и 1800, IMT-MC-450 и диапазоне 2,4...2,5 ГГц. Показано, что в условиях ориентации оконных проемов на объект радиовещания основную долю (78,3 %) в суммарной мощности радиосигнала составлял FM радиосигнал. Далее следовали диапазоны GSM 900 (10,8 %) и 1800 (8,7%); на долю диапазонов IMT-MC-450 и 2,4...2,5 ГГц приходилось в сумме 2,2%. В аудитории с отсутствием прямой видимости FM антенн наиболее значимым источником электромагнитного поля являлись базовые станции GSM 900 (49,2 %), на втором месте FM радиовещание (33,4%), на третьем GSM 1800 (10,3 %); на диапазоны IMT-MC-450 и 2,4.. .2,5 ГГц приходилось в сумме 7,1 %. Перепад в амплитуде суммарного радиосигнала между аудиториями составил 7,2 дБ.

В разделе 5.1.4 приведены результаты исследования влияния интерференционных эффектов и пространственной детализации измерений на объективность описания пространственной структуры поля СВЧ излучения (6 и

12 ГГц) на примере четырех помещений посредством измерений в 221 точке с пространственным разрешением от 0,54 до 1,0 м. Выявлено наличие сложной пространственной структуры электромагнитного поля на частотах 6 ГГц и 12 ГГц в условиях помещений; протяженность зон с колебаниями поля менее 5 дБ варьировалась от 0,5... 1,5 до 3...5 м; перепад напряженности поля внутри отдельного помещениям составлял от 10 до 25 дБ. Средние уровни локальных градиентов поля по помещениям варьировались от 3,4 до 6,5 дБ/м, доходя до 10,1...12,5 дБ/м на 2,3...15,5% площади помещений. На рис.11 приведен пример распределения локальных градиентов ЭМП РЧ 6 ГГц в двух соседних аудиториях в одной из которых расположен передатчик.

Результаты эксперимента позволили определить базовые ограничения на точность оценки локального уровня СВЧ радиосигнала (6 и 12 ГГц) в условиях помещений за счет интерференционных эффектов: вариации напряженности поля в зоне радиусом 15...25 см составляли 8... 10 дБ при наличии в помещении передатчика и 5.. .8 дБ при отсутствии такового.

Определены параметры устойчивости среднего уровня СВЧ радиосигнала от количества независимых массивов измерений внутри помещения: различия средних значений уровня радиосигнала по трем (для 12 ГГц - четырем) массивам независимых измерений (со случайным смещением друг относительно друга на 1...2 А.) как между собой, так и от глобального среднего составили не более 1,3...2,5 дБ (в минимуме до 0,1 дБ); степень отклонения измерений от среднего внутри массивов данных практически постоянна -среднеквадратическое отклонение изменялось в пределах 1.. .2 дБ.

Определены параметры устойчивости среднего уровня СВЧ радиосигнала по помещению относительно уменьшения пространственного разрешения исследования: ошибка в определении среднего уровня поля составляет от 1...2дБ до 3,6...4,5 дБ при загрублении пространственного разрешения мониторинга с исходных 0,5...1 до 1,5...2,8 м и соответствующем уменьшении плотности точек с 1 до 0,5...0,1 на м2.

Определены базовые характеристики вероятности отклонения среднего уровня поля в зоне радиусом 1...2Х от среднего по помещению: вероятность отклонения на величину более 3 дБ составляет 0,5...0,7 при наличии излучающего устройства внутри комнаты (эксперименты №№ 1а и 3) и 0,3...0,5 при отсутствии излучателя (эксперименты №№ 16 и 2), соответствующие графики для приведены на рис. 12.

В разделе 5.2 приведены результаты исследований с применением частотно-неселективных измерений. В разделе 5.2.1 рассмотрены результаты исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ в полосе частот 0,05...3,5 ГГц посредством широкополосных частотно-неселективных измерений (в режимах фиксации максимальных уровней - Мах и максимальных уровней поля с осреднением - Max average) в условиях участка городской территории площадью 0,51 км2 с замерами в 266 пунктах с пространственным разрешением от 24 до 46 м. Показано, что в полосе частот 0,05...3,5 ГГц общий перепад напряженности поля в пределах обследованного участка составил в

среднем 47,5 дБ. Средняя величина локального градиента уровня поля составила 0,12 дБ/м; максимальные значения доходили до 0,5.. .0,8 дБ/м на 0,8. ..1,5% от обследованной площади. Максимальные уровни ЭМП РЧ фиксировались при прямой видимости антенн базовых станций сотовой связи; в этих условиях протяженность участков с колебаниями поля менее 5 дБ составляла от 30...80 до 80...120 м {Мах) и до 70..,150 м {Max average). При напряженности поля < 0,5 В/м протяженность участков с колебаниями до 5 дБ для обоих режимов измерений составляла от 60... 120м до 150...300м, уменьшаясь вблизи зданий до 20...50 м. На рис.13 приведено

пространственное распределение ЭМП РЧ по обследованной территории.

Рис. 13. Пространственное распределение напряженности поля в полосе 0,05...3,5 ГГц; режим измерения Мах; показаны точки проведения измерений; цветом показано изменение напряженности поля на 5 дБ(мкВ/м).

Благодаря анализу пространственного расположения контуров с равными абсолютными значениями напряженности поля, но полученными при разных режимах измерения {Мах и Max average) впервые проведено выявление территории, где повышенный уровень поля формируется преимущественно за счет процессов отражения и рассеяния радиоволн: в условиях городской территории ширина таких зон составила от 19,5 до 42,5 м (на рис. 13 показаны штриховкой). Выделение таких участков позволяет определить зону в которой происходит изменение структуры многолучевого поля радиосигнала - переход от поля с выраженными и стабильными доминантами, к хаотическому многолучевому полю, формирующемуся за счет процессов отражения и рассеяния и одновременно зону потенциальной опасности радиотехнического объекта, не выявляемую посредством измерений с длительным временем осреднения или недостаточным временным разрешением.

Определены базовые ограничения на точность оценки локального уровня ЭМП РЧ: вариации напряженности поля в зоне радиусом до 50...60 см за счет интерференционных эффектов в среднем составили 2,5 дБ для режима Мах и 2,7 дБ для режима Max average; вариации более 5 дБ отмечались локально, преимущественно в местах постоянного движения пешеходов и автотранспорта.

Впервые проведена оценка интегральной энергетической экспозиции территории по данным широкополосных частотно-неселективных измерений. Для обследованного участка местности площадью 0,51 км2 показано, что в диапазоне частот 0,05...3,5 ГГц пиковый поток излучения составил 564,3 Вт

Ом 100 м 200 м 300 м

{Мах), а пиковый с осреднением 229,1 Вт (Max average), что соответствует удельным потокам излучения 1106,5 и 449,2 Вт/км2 соответственно.

В разделе 5.2.2 рассмотрены результаты исследований посредством широкополосных частотно-неселективных измерений пространственной неоднородности ЭМПРЧ в полосе частот 0,05...3,5 ГГц в условиях четырех учебных аудиторий посредством замеров в 228 точках с пространственным разрешением 0,44...0,58 м. Выявлено наличие сложной пространственной структуры электромагнитного поля в условиях помещений: характерная протяженность зон с колебаниями поля менее 5 дБ варьировалась от 0,5... 1,5 м до 2,5...3 м; вариации напряженности поля в зоне радиусом 30...60 см за счет быстрых замираний в среднем составили 1,6 и 1,4 дБ (Мах и Max average соответственно); суммарный перепад напряженности поля внутри отдельного помещениям составлял от 7,7 до 39,4 дБ; средние значения локальных градиентов поля составили от 4,1 до 9,4дБ/м в режиме Мах и от 4,1 до 10,1 дБ/м в режиме Max Average, увеличиваясь на некоторых локальных участках в обоих режимах измерения до 25... 30 дБ/м и более.

Впервые экспериментально установлено, что в условиях проникновения радиосигнала в помещение сквозь оконный проем (полоса частот 0,05...3,5 ГГц) энергетический дебет оконных проемов (поток излучения сквозь их апертуру) составил от 0,7 до 3,1 мВт, что сравнимо с мощностями компактных радиопередающих устройств; при отсутствии внутренних источников излучения энергетическая экспозиция помещения и дебет оконных проемов в среднем по абсолютной величине отличались менее чем на 2,5 дБ.

Также впервые экспериментально установлено, что в условиях частичного экранирования апертуры оконного проема (11,7% площади) в зоне максимальных значений плотности потока энергии зафиксировано снижение энергетической экспозиции помещения в среднем на 1,35 дБ (в 1,4 раза). Выявлено, что аналитически рассчитанная величина уменьшения энергетического дебета оконного проема за счет экранирования с погрешностью не превышающей 0,2 дБ совпадает с уменьшением энергетической экспозиции помещения, определенной экспериментально.

В шестой главе рассматриваются результаты исследований пространственной неоднородности ряда физических характеристик среды с применением разработанных автором методов, базирующихся на применении геоинформационных технологий.

В разделе 6.1 описываются метод и результаты исследования пространственной неоднородности низкочастотного магнитного поля в условиях урбанизированной среды с применением оригинального метода оперативных измерений.

Метод основан на профилировании уровней низкочастотного магнитного поля (далееМП) в широкой полосе частот (30...2000Гц) вдоль характерных путей передвижения населения. Оперативность обеспечивается за счет проведения замеров в движении, что позволяет в сжатые сроки охватывать

маршруты значительной протяженности. Метод включает комплексирование средств объективного контроля уровней магнитного поля, средств спутниковой навигации и возможностей мобильной геоинформационной системы. В результате в семантическом описании создаваемых слоев пространственных данных формируется цифровое описание функции В(М), где В - уровень магнитного поля в точке на расстоянии М от начала профиля. Поскольку в ходе обработки экспериментальных данных были выявлены значительные перепады уровней магнитного поля, то при их обработке профильное распределение В(Щ анализировалось в логарифмическом масштабе (21), где В ¿в - магнитная индукция дБнТл в точке с координатой М; В - магнитная индукция (полный вектор) в точке на расстоянии Мот начала профиля, нТл.

ртах _ nmin

ВЛ(М)=20ЪВ(М) (21) = (22)

Также вдоль линии профиля проводился анализ величии локальных средних градиентов (G) магнитного поля (22), где G) - локальный градиент низкочастотного поля по_/-ым пяти точкам профиля (/'= 1...М5, где N - общее количество точек в профиле, округленное до числа кратному пяти в меньшую сторону, единиц), дБ/м; В™" и В™" - максимальное и минимальное значения

уровня магнитного поля по j-ым пяти точкам профиля, дБнТл; - MJ'n -длина участка профиля между конечными точками профиля, равная разности максимальной и минимальной М координат среди у-ых пяти точек профиля. Средняя длина участка профиля (L*p, м) для которого рассчитывается величина локального градиента определяется средней скоростью передвижения исследователя во время проведения измерений и для конкретного профиля может быть рассчитана с помощью (23).

= - (23)

2

(24)

М/5

Для одновременного отображения в системе координат профиля как вариаций функции В^м), так и С-(м) необходимо корректно сопрячь графики обоих функций в системе М координат. Решением этой задачи является отнесение величины среднего локального градиента уровня магнитного поля к точке, являющейся серединой соответствующего отрезка профиля, т.е. переход к графику функции С^му*), где координата М™а задается с помощью (24). Одновременное отображение функций Вт(м) и С](м™'1) позволяет выявить участки с высокими уровнями градиентов магнитного поля, которые характерны для участков местности с высокой плотностью электротехнических объектов.

Посредством разработанного метода проведены измерения МП в диапазоне частот 30...2 ООО Гц на высоте 1 м от земли вдоль пяти профилей -двух проходящих по тротуарам крупных автомагистралей и трех внутри жилых кварталов, общей протяженностью 11,3 км и включавших 6 590 точек

Рис. 14. Вариации уровней низкочастотного магнитного поля в диапазоне частот 30...2000 Гц (I) и его локальных градиентов (II) вдоль профиля длиной 2160 м, проходящего по внутрикварталъной территории; пунктиром показан уровень 0,25 мкТл (норматив на низкочастотное МП по [Л 18]).

Рис. 15. Пространственное распределение мощности экспозиционной дозы гамма излучения на высоте 1м на территории МГУ; шаг цветовой градации 1 мкР/ч.

измерения с пространственным разрешением вдоль линий профилей от 1,4 до 1,8 м (15ср составляло 6,0...7,6 м). Показано, что перепад уровня магнитной индукции для трех внутриквартальных профилей составил более 50 дБ, а для двух других более 25 дБ. Минимальные зарегистрированные уровни низкочастотного МП для всех профилей составляли менее 0,1 мкТл, а максимальные от 1,6 до 38,3 мкТл. Установлено, что вдоль маршрутов активного передвижения пешеходов существует высокая пространственная неоднородность уровней низкочастотного магнитного поля, характеризующаяся наличием перепадов от 10...15 до 30...40 дБ на приращениях расстояний до 100 м и величинами локальных градиентов поля от 1...2 до 4...6дБ/м. На рис. 14 приведен пример вариаций магнитного поля вдоль профиля, проходящего внутри жилого квартала.

В разделе 6.2 описываются метод и результаты исследования вариаций радиационного фона в условиях урбанизированной территории. При проведении изысканий использован оригинальный метод исследования, обеспечивающий выявление вариаций гамма фона, связанных преимущественно с естественными колебаниями фона и крупномасштабной хозяйственной деятельностью в пределах антропогенно-измененной территории, и оценку степени радиационной опасности имеющихся в ее пределах источников повышенного фона. Метод основан на проведении декомпозиции массива первичных измерений по признаку типа подстилающей поверхности (естественный грунт, искусственное покрытие, антропогенный объект) и их раздельном пространственном целевом анализе в среде ГИС.

Апробация метода проведена на территории МГУ имени М.В.Ломоносова и некоторых прилегающих участках местности общей площадью 2,51 км2 с применением дозиметра интегрального типа. Измерения проведены в 160 точках на высоте 1 м от земли на участках с естественным грунтом со средним

пространственным разрешением 90,4 м; в 25 точках на высоте 1 м от земли на участках с обычными искусственными покрытиями со средним пространственным разрешением 178,5 м; в 21 точке на высоте 1 м от земли на участках с искусственными покрытиями из натурального камня со средним пространственным разрешением 79,4 м; в 70 пунктах на высоте 0 м (вплотную) на поверхностях объектов, выполненных из гранита, со средним пространственным разрешением 70,8 м.

Выявлено, что вариации на высоте 1 м в на участках с открытым или задернованным грунтом протяженность зон с колебаниями МЭД менее 1 мкР/ч составляла от 50... 150 м до 300...400 м, а в некоторых случаях по отдельным направлениям до 300.. .1300 м.

Анализ пространственных вариаций радиационного фона (приведены на рис. 15) показал достаточно хорошее совпадение по пространственному расположению участков со значениями МЭД выше средних значений (16... 17 мкР/ч) и участков с изъятием грунта при застройке территории МГУ на глубину 1...3 метра. Также достаточно хорошее совпадение по местоположению выявлено для участков территории МГУ со значениями МЭД ниже среднего (< 15 мкР/ч) и зон на которых проводилась насыпка грунта для выравнивания неровностей мощностью до 1...6 метров (карта земляных работ опубликована в [Л 19]). Показано, что средний уровень мощности дозы на поверхностях объектов, выполненных из гранита (памятники, цоколи зданий и т.п.), составил 32 мкР/ч, что в 2,1 раза выше чем средний уровень гамма фона над естественным грунтом. Отмечена высокая вариативность значений гамма фона у различных видов гранита - от практически фоновых уровней (16 мкР/ч) до значений близких или незначительно превышающих потенциально-опасный уровень в 60 мкР/ч.

В разделе 6.3 рассмотрены метод и результаты исследования пространственной неоднородности акустической обстановки в условиях городского микрорайона, находящегося в зоне акустического воздействия крупных автомагистралей. Метод исследования основан на применением портативного шумомера, обеспечивающего получение информации об уровнях слышимого человеком шума (весовая шкала "А" шумомера) и его физических уровнях (весовая шкала "С"), а также на привлечении для обработки данных геоинформационных систем, что обеспечивает выявление основных акустико-физических эффектов распространения шума и оценку его спектральных характеристик.

Метод апробирован на примере жилого микрорайона площадью 0,8 км2 посредством измерений уровней шума в диапазоне частот 31,5...8 000Гц с использованием весовых шкал "А" и "С" на высоте 1,2... 1,5 м от земли в 96 пунктах со средним пространственным разрешением 74,6 м. Выявлено, что суммарный перепад звукового давления по шкале "А" составил 38 дБ, а по шкале "С" — 30 дБ. Разность средних уровней звукового давления по разным весовым шкалам практически во всех точках составила более 10 дБ, что позволяет считать шум низкочастотным, с преобладанием колебаний на

частотах ниже 1 ООО Гц. При проникновении шума вглубь квартала вдоль открытых участков местности рассчитаны характерные градиенты затухания: 18,5дБА/100м и 8,4дБС/100м. Зафиксировано проникновение шума вглубь квартала вдоль внутриквартальной транспортной сети на расстояние до 50...200м (шкала "А") и до 150...300м (шкала "С"). Эффективность ослабления шума многоэтажными жилыми домами составила 20 дБ по шкале "А" и 15 дБ по шкале "С". На застроенной территории протяженность зон с колебаниями шума до 5 дБ составляла от 80.. .140 до 180...250 м.

В Приложении № 1 рассмотрены основные принципы моделирования окружающей среды с применением геоинформационных технологий.

В Приложении № 2 приводится краткое описание технологии создания высокодетализированных цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий в среде ГИС ArcGIS.

Список использованной литературы

Л1. Введенский Б.А., Аренберг А.Г. Распространение ультракоротких волн. М.: Связьтехиздат, 1934. - 284 с.

Л2. Аренберг А.Г. Распространение дециметровых и сантиметровых волн. М.: Советские радио, 1957. -306 с.

ЛЗ. Bertoni H.L. Radio Propagation for Modern Wireless Systems. New Jersey: Prentice hall, 2001.-340 p.

Л4. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни: Земля в объятиях Солнца. Гелиотараксия. М.: Мысль, 1995. -768 с.

Л5. Атлас магнитного поля Земли /Под. ред. А.Д. Гвишиани, A.B. Фролова, В.Б. Лапшина. М.: Геофизический центр РАН, 2012. - 364 с.

Лб. Гвишиани А.Д., Агаян С.М., Богоутдинов Ш.Р., Соловьев A.A. Дискретный математический анализ и геолого-геофизические приложения //Вестник Краунц. Науки о Земле. -2010. -№ 2. - Вып. 16. - С. 109-125.

Л7. Сыроешкин A.B., Плотникова H.B., Лапшин В.Б. Нейтронное поле у поверхности Земли и биосфера. М.: Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова, 2011. - 204 с.

Л8. Буров В.А., Лапшин В.Б., Сыроешкин A.B. Космическая погода и авиаперевозки //Мир измерений. -2013. -№ 2. -С. 11-16.

Л9. Saunders S.R., Aragon-Zavala A. Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems - 2nd. ed. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd, 2007. - 545 p.

Л10. MannS. Assessing personal exposures to environmental radio frequency electromagnetic fields //Comptes Rendus Physique. - 2010. - № 9-10. - P. 541 - 555.

Л11 Тертышников A.B., Кучейко A.A. Оперативный космический мониторинг ЧС: история, состояние и перспективы //Земля из космоса: наиболее эффективные решения. - 2010. - № 4. - С. 7-13.

Л12. Кузнецов О.Л., Никитин A.A., Черемисина E.H. Геоинформационные системы. М.: Информационные центр ВНИИгеосистем, 2005. - 345 с.

Л13. Smith M.J., Goodchild M.F., Longley P.A. Geospatial Analysis: a comprehensive guide to principles, techniques and software tools. Leicester: Matador, 2009. - 558 p.

Л14. ГОСТ 28441 - 99. Картография цифровая. Термины и определения. М.: ФГУП "Стандартинформ", 1999. - 8 с.

Л15. Потапов A.A., Турчанинов A.B., Королев А.Ф. Методы радиофизического моделирования с использованием геоинформационных систем в обеспечении электромагнитной безопасности урбанизированных территорий //Экология урбанизированных территорий. - 2007. — № 1. - С. 57 - 62.

Л16. СысоевН.Н., Захаров П.Н., КоролевА.Ф., ПотаповА.А., Турчанинов A.B. Моделирование распространения радиоволн в зданиях с применением метода конечных интегралов и технологий геопространственного моделирования //Нелинейный мир. -2012. - Т. 10. 7. - С. 439 — 447.

Л17. Clemens M., Weiland Т. Discrete electromagnetism with the finite integration technique //Progress in Electromagnetic Research, PIER 32. - 2001. - P. 65 - 87.

Л18. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. - М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. - 54 с.

Л19. БерлянтА.М., Вилков А.Ю. Мультимедиа-атлас "Московский государственный университет имени M.B. Ломоносова на Воробьевых горах". М.: МГУ, 2003.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Принципиально расширена сфера научно-технического применения методов и технологий прикладной геоинформатики - геоинформационные методы внедрены в решение прикладных радиофизических задач: моделирование распространения радиоволн с использованием различных алгоритмов, разработку новых методов радиотехнических измерений, мониторинг и обеспечение электромагнитной безопасности. Разработана не имеющая аналогов технология создания цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий высокого и сверхвысокого пространственного разрешения в среде ГИС.

2. Впервые разработана технология создания единых, пространственно-неразрывных мультимасштабных радиотехнических моделей среды, которые могут включать все ее значимые элементы: от модели участка городской застройки до элементов интерьера отдельного помещения внутри здания, и эффективно применяться в качестве информационно-технологической платформы экологического и радиомониторинга техногенных объектов.

3. Впервые теоретически обосновано и практически реализовано

использование пространственного моделирования ЭМП РЧ с высоким разрешением в среде ГИС для:

> изучения влияния быстрых замираний на пространственную структуру поля;

> анализа структуры многолучевого поля радиосигнала;

> расчетов удельных потоков излучения на подстилающую поверхность;

> расчетов потоков излучения сквозь оконные и другие проемы;

> пространственной локализации мест оптимального размещения экранирующих структур;

> выявления незарегистрированных источников радиосигнала.

4. Разработаны практические реализации следующих алгоритмов моделирования распространения радиоволн в метровом-дециметровом диапазоне, интегрированных в среду ГИС:

> геометрооптического алгоритма, который с использованием созданной радиотехнической модели городского микрорайона площадью 1 км2, обеспечил среднеквадратическую точность прогноза (на частоте 100 МГц):

• 4.. .5 дБ в зонах радиотени при преобладании дифракционных процессов;

• 5.. .7 дБ в зонах полной/частичной оптической видимости передатчиков;

• 7...9 дБ в зоне преобладания процессов отражения электромагнитных волн.

> алгоритма, основанного на сопряжении метода конечных интегралов в среде CST Microwave Studio и радиотехнической модели здания, созданной в среде ГИС, обеспечившего среднеквадратическое отклонение расчетных значений от экспериментальных (на частотах 400 и 900 МГц):

• от 2,1 до 3,7 дБ для 80 % площади помещения;

• от 3,6 до 5,2 дБ для всей его площади.

5. Создан комплекс методов практического применения геоинформационных систем, который позволяет их использовать в качестве нового и эффективного инструмента физических исследований. К результатам, наиболее важным для совершенствования существующих и разработки новых направлений и методов аналитического и неразрушающего контроля окружающей среды с применением радиотехнических измерений, следует отнести:

• разработку методов высоко мобильных частотно-селективных узкополосных измерений, адаптированных к условиям многолучевого распространения радиосигнала;

• разработку методологии широкополосных частотно-селективных измерений (в полосе частот до 100...200 МГц и более), адаптированной к применению в условиях априорной неопределенности спектральных характеристик радиопередающих средств;

• разработку методов оценки влияния интерференционных эффектов и пространственной детализации измерений на объективность описания пространственной структуры ЭМП РЧ, в том числе в СВЧ диапазоне;

• разработку методов частотно-неселективных измерений в широкой полосе частот (до 3,45 ГГц и более), адаптированных к применению в условиях открытых пространств и помещений при априорной неопределенности расположения, мощности и частотного диапазона источников ЭМП РЧ; данные методы могут быть также использованы для поиска мест оптимального размещения радиотехнических устройств, функционирующих посредством использования энергии амбиентного ЭМП РЧ.

6. К результатам, наиболее важным для создания новых методов пространственно-ориентированной математической обработки радиотехнических измерений в среде ГИС, а также для создания методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения обработки и представления информации о пространственной структуре ЭМП РЧ и протекающих в среде радиофизических процессах следует отнести разработку:

• Методов перехода от сети дискретных измерений к непрерывным метрически-определенным и пространственно-привязанным растровым моделям ЭМП РЧ в среде ГИС, расчета на их основе локальных градиентов ЭМП РЧ и проблемно-ориентированной визуализации экспериментальных данных с применением как растровой, так и векторной модели данных;

• Методов выявления переходной зоны в которой происходит изменение структуры многолучевого поля радиосигнала - переход от поля с выраженными и стабильными доминантами, к хаотическому многолучевому полю, формирующемуся за счет процессов отражения и рассеяния;

• Методов расчета в среде ГИС величин удельных потоков излучения в сверхширокой полосе частот (3,45 ГГц и более) на подстилающую поверхность и внутренние поверхности ограждающих конструкций помещений на базе геопривязанных, цифровых, метрически-определенных растровых моделей распределения плотности потока энергии, созданных на основе экспериментальных данных;

• Методов расчета на основе экспериментальных данных в среде ГИС величин потоков излучения сквозь проемы в ограждающих конструкциях помещений, обеспечивающих оперативное изучение процессов проникновения радиосигнала внутрь помещений и оценку их энергетической эффективности посредством сравнительного анализа потоков излучения сквозь поперечное сечение помещения и апертуру(ы) соответствующих проемов;

• Методов оперативного выявления (радиомониторинга) незарегистрированных источников радиосигнала в помещении и/или путей проникновения ЭМП РЧ сквозь ограждающие конструкции, основанных на оценке баланса потоков излучения сквозь поперечное сечение помещения и апертуру(ы) соответствующих проемов;

• Методов оперативной пространственной локализации мест оптимального расположения экранирующих структур в апертуре оконных проемов для минимизации энергетической нагрузки на внутренние объемы помещений;

• Методов оперативной пространственной локализации мест оптимального расположения радиотехнических устройств, функционирующих посредством использования энергии амбиентного ЭМП РЧ;

• Методов комплексной многопараметрической оценки электромагнитной безопасности территорий и помещений, включающих расчет оригинальных энергетических показателей (энергетическая экспозиция и энергетический дебет), определяемых величинами потоков излучения, и системное пространственное моделирование и визуализацию структуры ЭМП РЧ с субметровым и субдециметровым разрешением.

7. К экспериментальным результатам, важным для повышения информационной и метрологической надежности комплексов мониторинга ЭМП РЧ и уточнения нормативных требований к ним, а также для совершенствования методов изучения радиофизических процессов и явлений в условиях антропогенных сред и исследований фундаментальных ограничений на их точность следует отнести:

• Определение базовых ограничений на точность оценки локального уровня СВЧ радиосигнала (6 и 12 ГГц) за счет интерференционных эффектов. Определение устойчивости среднего уровня СВЧ радиосигнала от количества независимых массивов измерений внутри помещения и пространственного разрешения изменений. Определение базовых характеристик вероятности отклонения среднего уровня СВЧ поля в области порядка 1..2 X от среднего по помещению при наличии и отсутствии передатчика в нем;

• Посредством широкополосных измерений в ряде частотных диапазонов (FM, GSM900, GSM 1800, IMT-MC-450 и 2,4..2,5 ГГц) отработаны методы оценки суммарной мощности радиосигнала и проведения ее частотной декомпозиции; показана зависимость распределения мощности по диапазонам от ориентации оконных проемов здания и расположения источников ЭМП РЧ;

• Впервые проведена экспериментальная оценка удельных потоков излучения (в полосе шириной 3,45 ГГц) на подстилающую поверхность в городе (составивших от 1106,5 до 449,2 Вт/км2) и потоков излучения сквозь оконные проемы (составивших от 0,7 до 3,1 мВт), формирующихся за счет работы комплекса

близлежащих радиопередающих объектов, на основе данных широкополосных частотно-неселективных измерений;

• Впервые экспериментально установлено, что в условиях проникновения радиосигнала в помещение сквозь оконный проем (полоса частот 0,05...3,5 ГГц) и при отсутствии внутренних источников радиосигнала баланс потоков излучения сквозь поперечное сечение помещения и оконный проем(мы) сходится в среднем по абсолютной величине с разницей менее чем 2,5 дБ;

• Впервые экспериментально установлено, что в условиях частичного экранирования апертуры оконного проема фиксируется уменьшение потока излучения, при этом аналитически рассчитанная величина данного уменьшения с отклонением < 0,2 дБ совпадает с уменьшением потока излучения сквозь поперечное сечение помещения, определенного экспериментально.

8. С применением ГИС разработаны и апробированы на практике в условиях урбанизированной среды новые методы экспериментального исследования пространственной неоднородности мощности дозы гамма-излучения у поверхности земли, эквивалентных уровней акустического шума от транспортных потоков и величины низкочастотного магнитного поля в полосе частот 30.. .2 ООО Гц от систем электроснабжения.

9. Для электромагнитных полей радиочастотного диапазона проведенный комплекс исследований обеспечил системную интеграцию на платформе геоинформационных систем методов моделирования распространения радиоволн, технологий геомоделирования окружающей среды и методов натурных радиотехнических измерений и включал:

• разработку технологий создания радиотехнических моделей местности и зданий;

• разработку комплекса оригинальных методов частотно-селективных и частотно-неселективных измерений и их практическую апробацию;

• моделирование распространения радиоволн в условиях открытых пространств (на базе геометрооптического приближения) и помещений (на базе метода конечных интегралов) и экспериментальную оценку точности прогноза, в том числе с декомпозицией по радиофизическим процессам;

• экспериментальное изучение пространственной структуры ЭМПРЧ в условиях открытых пространств и помещений в широком диапазоне частот (от 100 МГц до 12 ГГц).

10. Полученные результаты в значительной степени инварианты относительно специфики конкретных задач и могут быть применены для широкого спектра прикладных исследований в областях разработки и внедрения средств и систем контроля окружающей среды, прикладной радиофизики, планирования сетей беспроводной связи, оценки электромагнитной безопасности технических средств/территорий/помещений и для совершенствования методов экспериментальных исследований в разнообразных смежных областях физики, геофизики и экологии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I. Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ

1. Королев А.Ф., Потапов A.A., Турчанинов A.B. Комплексное исследование нелинейных пространственных вариаций радиосигнала с применением геоинформационных технологий и методов радиофизического моделирования //Нелинейный мир. - 2013. - Т. 11. - № 7. - С. 468 - 478.

2. Сысоев H.H., Захаров П.Н., Королев А.Ф., Потапов A.A., Турчанинов A.B. Моделирование распространения радиоволн в зданиях с применением метода конечных интегралов и технологий геопространственного моделирования //Нелинейный мир. - 2012. - Т. 10. - № 7. - С. 439 - 447.

3. Потапов A.A. Метод оперативного исследования нелинейных вариаций низкочастотных магнитных полей с применением геоинформационных технологий //Нелинейный мир. - 2012. - Т. 10. - № 1. - С. 3 - 10.

4. Капица А.П., Потапов A.A. Общая методология эксперимента в исследованиях пространственной неоднородности электромагнитных полей радиочастотного диапазона//Доклады Академии Наук. - 2011. - Т. 441. — № 2. - С. 242 - 244.

5. Kapitsa А.Р., Potapov A.A. The General Experimental Method in Investigation of the Spatial Inhomogeneity of Radio frequency Electromagnetic Fields //Doklady Earth Sciences. - 2011. - Vol. 441. - Part 1. - P. 1557 - 1559.

6. Потапов A.A. Геоинформационные системы в экологическом мониторинге электромагнитных полей радиочастотного диапазона //Геоинформатика. -2011 - № 1.-С. 17-25.

7. Потапов A.A. Совершенствование методологии оценки электромагнитной безопасности помещений с привлечением геоинформационных технологий //Нелинейный мир. - 2010. - Т. 8. - № 10. - С. 629 - 636.

8. Потапов A.A. Экологический мониторинг электромагнитных полей радиочастотного диапазона в условиях города с применением ГНС технологий //Экология урбанизированных территорий. - 2010. - № 3. - С. 20 -29.

9. Потапов A.A., Захаров П.Н. Влияние интерференционных эффектов и пространственной детализации измерений на объективность экологического мониторинга СВЧ излучения внутри помещений //Электромагнитные волны и электронные системы. —2010. - Т. 15. - № 3. — С. 26 - 32.

Ю.Потапов A.A., Захаров П.Н. Методология широкополосных измерений в экологическом мониторинге электромагнитных излучений радиочастотного диапазона //Наукоемкие технологии. - 2009. - № 8. - Т. 10. - С. 59 - 67.

П.Сухоруков А.П., Бабушкин А.К., Дудов P.A., Захаров П.Н., Козарь A.B., Королев А.Ф., Потапов A.A., Пухов Е.А., Турчанинов A.B. Распространение радиоволн в обитаемых средах: физические, информационные и экологические аспекты //Радиотехника. - 2009. - № 5. - С. 40 - 49.

12. Потапов A.A., Турчанинов A.B., Королев А.Ф. Электромагнитная безопасность электроэнергетической инфраструктуры урбанизированных территорий //Экология урбанизированных территорий. - 2007. - № 2. -С. 6-12.

13.Потапов A.A., Турчанинов A.B., Королев А.Ф. Методы радиофизического моделирования с использованием геоинформационных систем в обеспечении электромагнитной безопасности урбанизированных территорий//Экология урбанизированных территорий. - 2007. - № 1. -С. 57-62.

14.Сухоруков А.П., Дудов P.A., Королев А.Ф., Потапов A.A., Турчанинов A.B. Квазиоптические методы в задачах моделирования распространения радиоволн вдоль поверхности Земли //Нелинейный мир. - 2005. — Т. 3. — № 1-2.-С. 107-115.

15.Воробьева Т. А., Краснушкин A.B., Потапов A.A. Изучение и картографирование физического загрязнения городской среды //Вестник Московского университета. Серия 5. География. - 2005. - № 4. - С. 35 - 39.

16.Королев А.Ф., Краснушкин A.B., Потапов A.A., Турчанинов A.B. Возможности геоинформационных технологий в анализе больших объемов слабоструктурированной физико-экологической информации //Наукоемкие технологии. - 2005. - № 1. - Т. 6. - С. 42 - 47.

II. Свидетельство на программу для ЭВМ

17.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010616591. "Сигнал-РП" /Турчанинов A.B., Королев А.Ф., Захаров П.Н., Потапов A.A. - Заявка №2010615772 от 21.09.2010; зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 04.10.2010. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2010.

III. Монографии

18.Потапов A.A. Физико-технические принципы построения комплексов радиомониторинга: В 2-х томах. Том II: Создание радиотехнических моделей среды и исследование ее радиофизических характеристик с применением методов и технологий геопространственного моделирования: Монография /Под редакцией профессора H.H. Сысоева. - М.: МАКС Пресс, 2012.-352 с.

19.Дудов P.A., Захаров П.Н., Козарь A.B., Королев А.Ф., Потапов A.A., Пухов Е.А., Сухоруков А.П., Сысоев H.H., Турчанинов A.B. Физико-технические принципы построения комплексов радиомониторинга: В 2-х

томах. Том I: Радиофизические основы построения комплексов радиомониторинга: Монография /Под редакцией проф. A.B. Козаря и проф. А.П. Сухорукова. М.: МАКС Пресс, 2012. - 336 с.

20.Сысоев H.H., Потапов A.A. ГИС - физико-техническая платформа построения универсальных комплексов радиотехнического мониторинга нового поколения. М.: Физический факультет МГУ, 2012. - 28 с.

21.Потапов A.A. Методологические основы экологического мониторинга электромагнитных полей радиочастотного диапазона //Рациональное природопользование: теория, практика, образование /Под. общ. ред. проф. М.В. Слипенчука. М.: Географический факультет МГУ, 2012. - С. 140 — 146.

22.Потапов A.A. Пространственная неоднородность физических характеристик окружающей среды как экологически значимый фактор: Монография. — М.:МАКС Пресс, 2011. - 176 с.

23.Краснушкин A.B., Денисенко О.В., Марголина И.Л., Потапов A.A. Экология жилища - новое направление в геоэкологии и природопользовании //География, общество, окружающая среда. Том III: Природные ресурсы, их использование и охрана /Под ред. проф. А.Н. Геннадиева и чл.-корр. РАН Д.А. Криволуцкого. М.: "Издательский дом "Городец", 2004. - С. 117 - 122.

IV Статьи в рецензируемых сборниках научных трудов

24.Потапов A.A. Повышение пространственного разрешения экспериментальных исследований вариаций радиационного фона за счет применения ГИС технологий //Физические проблемы экологии (Экологическая физика): Сборник научных трудов/Под редакцией

B.И. Трухина, Ю.А. Пирогова, К.В. Показеева. М.: МАКС Пресс, 2013. -№ 19.-С. 402-411.

25. Потапов A.A. Метод и результаты мониторинга локальной пространственной неоднородности радиационного фона в условиях города //Физические проблемы экологии (Экологическая физика): Сборник научных трудов/Под редакцией В.И. Трухина, Ю.А. Пирогова, К.В. Показеева. М.: МАКС Пресс, 2012. - № 18. - С. 278-286.

26.Потапов A.A. Системы геопространственного моделирования при оценке электромагнитной безопасности территорий и помещений в радиочастотном диапазоне //Физические проблемы экологии (Экологическая физика): Сборник научных трудов/Под редакцией В.И. Трухина, Ю.А. Пирогова, К.В. Показеева. М.: МАКС Пресс, 2011. - № 17. - С. 293 - 301.

27.Потапов A.A., Боканов И.С. Исследования локальных вариаций радиационного фона в условиях города //Экология, науки о жизни: инновации: Науч. конф. "Экосистемы, организмы, инновации - 12". Москва, 23 июня 2010 г.: Труды и другие материалы /Отв. ред. С.А. Остроумов,

C.B. Котелевцев, И.К. Тодераш, О.М. Горшкова. - М.: МАКС Пресс, 2010. -С. 75.

28.Потапов A.A. Современное развитие методологии частотно-селективных измерений в экологическом мониторинге электромагнитных полей радиочастотного диапазона //Физические проблемы экологии (Экологическая физика): Сборник научных трудов/Под редакцией

B.И. Трухина, Ю.А. Пирогова, К.В. Показеева. М.: МАКС Пресс, 2010. -№ 16.-С. 262-270.

29.Потапов A.A. Исследования пространственной неоднородности физико-экологических факторов в урбанизированных средах //Инновации: экология: Науч. конф. "Экосистемы, организмы, инновации - 11". Москва, 24 июня 2009 г.: Труды и другие материалы /Отв. ред. С.А. Остроумов,

C.B. Котелевцев, И.К. Тодераш, О.М. Горшкова. - М.: МАКС Пресс, 2010. -С. 96-97.

V. Работы, опубликованные в материалах всероссийских и международных конференций

30.Турчанинов A.B., Королев А.Ф., Захаров П.Н., Потапов A.A. Программное обеспечение для расчета условий распространения радиоволн в городской и сельской местности "СИГНАЛ-РП" [Электронный ресурс]: Сборник докладов IV Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь". -Электронное издание. - М.: Изд-во ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2010. -С. 749 - 758. - URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/4conf/docs/pdffiles/pl4.pdf (дата обращения 29.01.2010).

31. Потапов A.A. Мониторинг электромагнитной безопасности урбанизированных территорий с применением широкополосных частотно-неселективных измерений и систем геопространственного моделирования [Электронный ресурс]: Сборник докладов IV Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь". — Электронное издание. - М.: Изд-во ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2010. - С. 141 - 154. - URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/4conf/docs/pdffiles/r27.pdf (дата обращения 29.01.2010).

32.Сухоруков А.П., Бабушкин А.К., Дудов P.A., Захаров П.Н., Козарь A.B., Королев А.Ф., Потапов A.A., Пухов Е.А., Турчанинов A.B. Возможности систем геопространственного моделирования в задачах прогнозирования распространения радиоволн и электромагнитной экологии [Электронный ресурс]: Сборник докладов III Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь". Приложение. - Электронное издание. - М.: Изд-во ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2009. - С. 630 - 639. - URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/3conference/pdffiles/p019.pdf (дата обращения 02.06.2010).

33.P.N. Zakharov, E.V. Mikhailov, A.A. Potapov, A.F. Korolev, A.P. Sukhorukov. Comparative Analysis of Ray Tracing, Finite Integration Technique and Empirical Models Using Ultra-Detailed Indoor Environment Model and Measurements //Proceedings 2009 3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna,

Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications. - Beijing: IEEE Press, 2009. -Vol. 1. - P. 176 - 183.

34. Потапов А. А. Применение ГИС в физико-экологическом мониторинге помещений //Тезисы докладов четвертой всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика)". М.: МГУ, 2004 - С. 206 - 207.

35.Краснушкин A.B., Потапов A.A. Учебный физико-экологический практикум //Тезисы докладов четвертой всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика)". М.: МГУ, 2004 -С. 227 - 228.

36.Потапов A.A. Изучение физико-экологических факторов в пределах типичного жилого микрорайона на территории ЮЗАО г. Москвы //Сборник тезисов докладов по материалам XI Международной конференции "Ломоносов - 2004", секция Географии /Отв. редактор доц. А.Н. Иванов. М.: МГУ, 2004 - С. 105.

/

37.Потапов A.A. Физико-экологическое обследование жилых и общественных зданий с применением геоинформационных технологий (на примере Музея Землеведения МГУ) //Материалы секции музееведения конференции "Ломоносовские чтения" /Под редакцией С.А. Ушакова, И.А. Ванчурова,

B.Г. Ходецкого. М.: МГУ, 2004 - С. 44 - 45.

38.Потапов A.A. Электромагнитная безопасность населения, проживающего в непосредственной близости от ЛЭП, на примере ЮЗАО г. Москвы //Сборник тезисов докладов по материалам Международной конференции по фундаментальным наукам "Ломоносов — 2001", секция Географии /Отв. редактор доц. А.Н. Иванов. М.: МГУ, 2001 - С. 97.

VI. Прочие публикации

39.Горшкова О.М., Краснушкин A.B., Потапов A.A., Пращикина Е.М., Марголина И.Л., Корешкова Т.Н., Шкиль А.Н. Лабораторные методы изучения и контроля состояния окружающей среды: Учебное пособие/ Под ред. А.П. Капицы, A.B. Краснушкина. М.: Географический факультет МГУ, 2008. - 180 с.

40.Потапов A.A. Пространственная неоднородность физического загрязнения как экологически значимый фактор: Препринт. - М.: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006. - 54 с.

41. Потапов A.A. Система ArcGIS в задачах комплексного физико-экологического обследования помещений //ArcReview - 2004. - № 4 (31). -

C. 13.

Отпечатано в типографии МГУ 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские Горы, д.1, стр.15 Заказ № 0988. Тираж 150 экз.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

05201352032 На правах рукописи

Потапов Александр Александрович

Методы мультимасштабиого мониторинга волновых полей высокого разрешения на платформе цифровых проблемно-ориентированных моделей

05.11.13 - "Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Н.Н. Сысоев

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

Обозначения и сокращения................................................................................. 5

Введение............................................................................................................... 6

Глава 1. Современная практика исследований и моделирования пространственной неоднородности электромагнитных полей радиочастотного диапазона................................................................................. 30

1.1 Общие особенности экспериментальных исследований электромагнитных полей радиочастотного диапазона в условиях антропогенно-измененных сред.................. 30

1.2 Методы моделирования пространственного распределения уровня электромагнитного поля радиочастотного диапазона.......................................... 35

1.2.1 Простейшие детерминированные модели распространения радиоволн................36

1.2.2 Статистические методы моделирования распространения радиоволн..................38

1.2.3 Основные детерминированные методы расчета распространения радиоволн 40

1.2.4 Методы моделирования процессов дифракции и отражения радиоволн..............41

1.2.5 Геометрооптические методы моделирования распространения радиоволн и границы их применимости..............................................................................................................................47

1.2.6 Метод параболического волнового уравнения..............................................................................59

1.2.7 Численные методы электродинамики..................................................................................................66

1.3 Моделирование пространственного распределения ЭМПРЧ с применением геоинформационных технологий........................................................................................................................................72

1.4 Экспериментальные исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ в условиях антропогенно-измененных сред..................................................................................................................81

1.5 Экспериментальные исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ в условиях помещений....................................................................................................................................................................91

1.6 Выводы................................................................................................... 102

Глава 2. Создание радиотехнических моделей местности и зданий с применением геоинформационных технологий................................................. 108

2.1 Создание радиотехнических моделей местности................................................ 108

2.1.1 Современные тенденции в создании цифровых моделей окружающей среды.......................................................................................... 108

2.1.2 Базовые принципы создания радиотехнических моделей местности........... 114

2.1.3 Использование ГИС в задачах обработки данных радиотехнических измерений.................................................................................... 117

2.1.3.1 Первичная обработка и визуализация пространственно-координированных данных радиотехнических измерений........... 117

2.1.3.2 Анализ пространственной неоднородности непрерывных распределений физических величин...................................... 123

2.1.3.3 Расчет величин локальных градиентов непрерывных распределений физических величин....................................... 125

2.1.3.4 Расчет интегральных показателей на базе непрерывных растровых распределений физических величин........................ 127

2.1.4 Создание радиотехнической модели городского микрорайона на базе цифровой проблемно-ориентированная модели территории..................... 128

2.1.5 Интеграция радиотехнической модели городского микрорайона в комплексную цифровую проблемно-ориентированную модель урбанизированной территории.......................................................... 138

2.2 Создание радиотехнических моделей зданий.................................................... 142

2.2.1 Современные тенденции в создании цифровых моделей зданий................................142

2.2.2 Методология создания метрически корректных моделей зданий в среде ГИС на основе инженерно-строительной документации....................................................152

2.2.3 Результаты создания цифровой высокодетализированной модели здания.... 155

2.2.4 Результаты создания модели участка здания сверхвысокой детализации..........158

2.2.5 Создание радиотехнической модели здания в среде электродинамического моделирования CSTMicrowave Studio..................................................................................................161

2.3 Выводы......................................................................................................................................................................................................164

Глава 3. Применение радиотехнических моделей среды в прогнозировании

условий распространения радиоволн....................................................................................................................................171

3.1 Практическая реализация моделирования распространения радиоволн на базе

геометрооптического приближения................................................................ 171

3.2 Использование средств ГИС для визуализации и обработки результатов радиотехнического моделирования................................................................ 181

3.3 Практическая реализация моделирования распространения радиоволн в условиях помещений на базе метода конечных интегралов............................................... 188

3.4 Оценка точности прогноза уровня электромагнитного поля 100 МГц в условиях городского м икрорайона.............................................................................. 191

3.5 Оценка точности прогноза уровня электромагнитного поля 400 и 900 МГц в условиях помещений................................................................................... 197

3.6 Выводы................................................................................................... 201

Глава 4. Методы экспериментального исследования пространственно-распределенных радиофизических характеристик среды................................. 204

4.1 Общая методология исследования пространственной неоднородности электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ)........................... 204

4.2 Методы исследования пространственной неоднородности ЭМПРЧ посредством измерений на фиксированных частотах............................................................ 208

4.3 Методология исследования пространственной неоднородности и спектральных характеристик ЭМП РЧ посредством широкополосных частотно-селективных измерений................................................................................................ 214

4.4 Методы оценки влияния интерференционных эффектов и пространственной детализации измерений на объективность описания пространственной структуры ЭМП РЧ................................................................................................... 225

4.5 Методы исследования пространственной структуры ЭМП РЧ посредством широкополосных частотно-неселективных измерений......................................... 231

4.6 Выводы................................................................................................... 245

Глава 5. Результаты исследования пространственно-распределенных радиофизических характеристик среды............................................................. 249

5.1 Результаты исследований пространственно-распределенных радиофизических характеристик среды посредством частотно-селективных измерений...................... 249 -

5.1.1 Результаты изучения пространственной неоднородности электромагнитного поля 100 МГц на территории городского микрорайона.. 249

5.1.2 Результаты изучения пространственной структуры электромагнитного поля 100 МГц внутри помещения в условиях проникновения радиосигнала сквозь оконный проем.................................................................... 255

5.1.3 Результаты изучения амплитудных и спектральных характеристик ЭМП РЧ в условиях помещений посредством широкополосных частотно-селективных измерений.................................................................. 262

5.1.4 Результаты оценки влияния интерференционных эффектов и пространственной детализации измерений на объективность описания пространственной структуры СВЧ поля (6 и 12 ГГц).............................. 268

5.2 Результаты исследований пространственно-распределенных радиофизических характеристик среды посредством широкополосных частотно-неселективных измерений................................................................................................ 279

5.2.1 Результаты анализа пространственной неоднородности ЭМП РЧ в полосе частот 0,05.<.3,5 ГГц в условиях города.............................................. 279

5.2.2 Результаты анализа пространственной неоднородности ЭМП РЧ в полосе частот 0,05...3,5 ГГц в условиях помещений........................................ 289

5.3 Выводы...........................................................................:....................... 305

Глава 6. Методы и результаты экспериментальных исследований пространственной неоднородности некоторых физических характеристик среды с применением геоинформационных технологий 312

6.1 Метод и результаты исследования нелинейных вариаций низкочастотных магнитных полей в условиях урбанизированной среды...................................................... 312

6.2 Метод и результаты исследования вариаций радиационного фона в условиях урбанизированной среды.............................................................................. 321

6.3 Метод и результаты исследования пространственной неоднородности акустической обстановки в условиях в условиях урбанизированной среды................................. 329

6.4 Выводы................................................................................................... 337

Заключение.......................................................................................................... 340

Список литературы............................................................................................. 345

Приложение № 1. Основные принципы моделирования окружающей среды

с применением геоинформационных технологий..............................................................................................365

Приложение № 2. Технология создания высокодетализированных цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий в среде ГИС

АгсСК....................................................................................................................................................................................................................................368

П2.1 Состав данных о внутренней структуре здания на поэтажных планах..........................................368

П2.2 Векторизация поэтажных планов......................................................................................................................................369

П2.3 Многопараметрическая топологическая верификация модели здания............................................371

П2.4 Создание комплексного семантического описания элементов модели здания........................373

П2.5 Создание цифровых моделей зданий сверхвысокой детализации......................................................375

Обозначения и сокращения

БС - базовая станция сотовой связи

В/м — Вольт на метр (единица измерения напряженности электрического поля)

ГИС - географическая информационная система (системы)

Гц - герц, единица частоты (1 кГц = 1 • 103 Гц; 1 МГц = 1 • 106 Гц; 1 ГГц = 1 • 109 Гц)

дБ — децибел (логарифмическая единица разности уровней)

дБА - децибел по весовой шкале "А" (единица измерения уровня шума)

дБС - децибел по весовой шкале "С" (единица измерения уровня шума)

кг — килограмм (единица массы)

м - метр, единица длины (1 мм = 0,001 м; 1 см = 0,01 м; 1 км = 1000 м) МГСН - Московские Городские Строительные Нормы МЭД - мощность экспозиционной дозы гамма излучения

мкВт/см2 - микроватт на сантиметр квадратный (единица плотности потока энергии электромагнитного поля)

мкЗв/ч - микрозиверт в час (единица измерения мощности эквивалентной дозы гамма излучения)

мкТл — микротесла (единица измерения магнитной индукции)

МП — магнитное поле

ПДУ - предельно-допустимый уровень

ПО — программное обеспечение

САПР - системы автоматизированного проектирования

СВЧ - сверхвысокие частоты (диапазон 3.. .30 ГГц)

СКО — среднеквадратическое отклонение

См/м - сименс на метр (единица электропроводности)

СУБД - система управления базами данных

ЦКМ - цифровые картографические материалы

ЦПОМ - цифровая проблемно-ориентированная модель местности

ЭМП - электромагнитное поле

ЭМП РЧ - электромагнитное поле/я радиочастотного диапазона

AM - Amplitude modulation (амплитудная модуляция, также обозначения стандарта радиовещания в диапазоне средних волн)

DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunication (технология беспроводной связи, используемая в бытовых радиотелефонах)

DVB-T - Digital Video Broadcasting - Terrestrial (стандарт эфирного (наземного) цифрового телевещания)

FDTD - Finite Difference Time Domain (метод конечно-разностного решения уравнений Максвелла во временной области)

FEM — Finite Element Method (метод конечных элементов)

FIT — Finite Integration Technique (метод конечного интегрирования)

FM - Frequency Modulation (частотная модуляция, стандарт радиовещания в диапазоне частот 88...108 МГц)

GPS — Global Positioning System (спутниковая система глобального позиционирования)

GSM - Global System for Mobile Communications (глобальный цифровой стандарт для мобильной

сотовой связи)

UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (технология мобильной сотовой связи) Wi-Fi - Wireless Fidelity (обозначение устройств беспроводной передачи данных на базе семейства стандартов IEEE 802.11)

W-LAN - Wireless Local Area Network (беспроводная локальная вычислительная сеть)

Введение

Актуальность исследования. Экспериментальное изучение и моделирование пространственной структуры электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ) является важной и актуальной задачей, т.к. распределение ЭМП РЧ определяет широкий спектр таких практически важных показателей территорий как: протяженность зон надежного функционирования систем беспроводной связи, возможности по дальнейшему наращиванию количества и плотности радиопередающих средств в искомом районе и степень электромагнитной безопасности функционирующих технических средств [1-3].

ЭМПРЧ, наравне с другими геофизическими и астрофизическими факторами, является характеристикой окружающей среды важной как при экологическом мониторинге, так и объективном контроле состояния техногенных объектов, что с учетом опыта фундаментальных исследований [7-9], естественным образом предопределяет высокую значимость комплексного экспериментального изучения данного фактора и других видов волновых полей, в том числе при малых интенсивностях, ниже установленных нормативных уровней [10-11].

Получение объективной информации о пространственных вариациях ЭМПРЧ и причинах их вызывающих невозможно без выработки соответствующей методологии проведения физического эксперимента, а также без моделирования как самой среды распространения радиоволн, так и процессов взаимодействия ЭМП РЧ с естественными и антропогенными объектами под влиянием которых и происходит формирование электромагнитной обстановки конкретных территорий. В связи с этим, актуальна разработка общих принципов проведения физического эксперимента в исследованиях пространственной неоднородности электромагнитных полей (а также и других практически значимых физических факторов), интегрирующих и развивающих широкий спектр существующих методов экспериментальной физики, базирующихся на современных контрольно-измерительных средствах, а также методах моделирования радиофизических процессов и явлений.

Натурный радиофизический эксперимент в условиях антропогенно-преобразованных, урбанизированных сред обладает следующими технологическими и организационно-методологическими особенностями [1,4-6]:

- в зависимости от поставленной задачи (частотно-селективные, частотно-неселективные, изотропные/направленные измерения) используются

узкоспециализированные контрольно-измерительных средства и методы измерений;

— проводятся преимущественно in-situ измерения в условиях высокой пространственной неоднородности ЭМП РЧ, зависящей от ряда трудно детерминируемых факторов;

— ведущим критерием объективности экспериментальных работ является их пространственное разрешение;

— система утвержденных контрольных уровней ЭМП РЧ носит сложный многокритериальный характер в зависимости от специфики конкретной задачи.

В своей совокупности все перечисленные особенности отражают основные отличия физического эксперимента в задачах исследования пространственной неоднородности ЭМПРЧ в условиях реальных сред (вне лабораторий) от принятых принципов [13, 276] традиционных экспериментальных работ в точных науках:

• проведение эксперимента осуществляется в неконтролируемых или частично контролируемых исследователем условиях

• ограничена возможность строгого (особенно в количественных показателях) априорного формулирования проверяемой в эксперименте гипотезы

• ограничены возможности по повторяемости эксперимента из-за нестабильности и неконтролируемости параметров среды в которой он проводится

• выделение и измерение искомой величины из всей совокупности действующих в заданной точке пространства факторов происходит за счет селективности применяемой измерительной аппаратуры и методики проведения измерений (в том числе за счет ее адаптации к особенностям протекающих в среде физических процессов и явлений), а не за счет искусственной подготовки условий и места проведения эксперимента.

Физический эксперимент, обладающий подобными специфическими чертами, обычно относится к категории естественных (natural experiments) или квазиэкспериментов