автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Методы обработки и анализа сигналов информационно-измерительных систем в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии

№

московский

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

УДК 621.371.31 На правах рукописи

ГАЛКИН Юрий Степанович

РГБ ОД 1 7 ЯН9 2300

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА СИГНАЛОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ

05.13.14 Системы обработки информации и управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1999

Работа выполнена на кафедре физики Московского государственного университета леса.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Институт общей физики РАН

Защита диссертации состоится «12 »ноября 1999 года в 15 часов

на заседании Специализированного совета Д 053.31.06 Московского государственного университета леса по адресу: 141005, Мытшци-5 Московской области, 1-я Институтская ул., МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по указанному выше адресу.

доктор технических наук, профессор П. А. Арутюнов; доктор физико-математических наук,

профессор Д. С. Лукин; доктор технических наук, профессор Л. С. Юношев.

Автореферат разослан «II» октября 1999 года.

Ученый секретарь Специализированного совета Д 053.3 кандидат технических наук, доце]

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Известно, что системы обработки информации существенно зависят от специфики тех информационно-измерительных систем (ИИС), в комплексе с которыми они используются. ИИС практически любого функционального назначения, включая специальное, содержат в своем составе различные подсистемы, блоки, датчики и каналы передачи сигналов между ними. Параметры этих компонент систем определяют функциональные возможности ИИС и детально исследуются на всех этапах проектирования, разработки и создания систем, с использованием всех имеющихся на соответствующем этапе, научных представлений и достижений.

Вместе с тем, практика разработки ИИС показывает, что в ряде случаев не удается в комплексе реализовать потенциальные возможности системы, несмотря на полное соответствие всех ее конструктивных элементов техническим заданиям. Анализ показывает, что, как правило, это имеет место для ИИС, содержащих специфические звенья - каналы передачи сигналов в неконтролируемых средах — составной части современных технологий, использующих электромагнитные волны. К ним относятся эталонная интерферометрия, высокоточная метрология на земной поверхности и околоземном пространстве, лазерное зондирование, спектроскопия сверхвысокого разрешения, космическое координирование, наземная радиосвязь, телеметрия «космос-Земля» и т.п. В измерительных системах появляются систематические погрешности, не объяснимые известными причинами, в информационных системах появляются искажения, не соответствующие реально протекающим явлениям и т.п. В целом это приводит к снижению эффективности применения ИИС, к снижению их измерительных и информационных возможностей, что представляет собой общую проблему как для существующих, так и для создаваемых систем.

Таким образом, разработка и исследование методов учета влияния среды на повышение точности, чувствительности систем и расширение их информационных возможностей, представляет собой актуальную научную проблему, решению которой и посвящена реферируемая диссертационная работа.

Анализ показал, что, в существующих оценках влияния среды на сигналы ИИС, недостаточно исследованы некоторые общие для этих сред свойства и, соответственно, недостаточны или отсутствуют критерии их оценки и адекватные методы их учета. В научной литературе обнаружено всего несколько разрозненных публикаций по обработке и анализу сигналов в среде со слабой нелинейной дисперсией показателя преломления, причем в

них основное внимание уделено только ограниченному числу форм сигналов и видов анализируемых парметров. Вместе с тем, анализ таких параметров как фаза сигнала, ее производных по частоте и по времени, для различных видов сигналов, позволяют предложить новые методы обработки сигналов и на этой базе совершенствовать ряд высокоточных измерительных процессов в среде и методов мониторинга среды -перспективной в настоящее время тематики.

Дальнейшим продвижением в решении проблемы, по нашему мнению, является систематизированное исследование поведения комплексной формы квазимонохроматических сигналов в условиях приближения второго порядка теории дисперсии в каналах ИИС, использующих электромагнитные волны, распространяющиеся в атмосфере.

Цель и задачи работы.

Целью работы является решение проблемы повышения точности, чувствительности, надежности функционирования и расширения информационных возможностей ИИС, использующих сигналы, распространяющиеся в средах с нелинейной дисперсией показателя преломления, например, электромагнитных сигналов в атмосфере.

Задачами данной работы являются определение, классификация н оценка влияния нелинейности дисперсии показателя преломления среды на точность работы ИИС, теоретическое, модельное и экспериментальное исследование процессов измерений прецизионными измерительными системами, включая случаи отсутствия аналитического решения, а также обоснование предложений новых измерительных технологий повышенной точности и чувствительности на основе проведенных исследований.

Защищаемые положения.

1. Классификация и оценка значимости влияния нелинейности дисперсии показателя преломления среды на работу ИИС различного, включая специальное, назначения.

2. Развитие теории (аналитическое и модельное) оценки влияния нелинейности дисперсии показателя преломления среды на сигналы ИИС различного назначения.

3. Теоретическое обоснование (аналитическое и расчетное' методов обработки и анализа сигналов ИИС, распространяющихся в среде, с нелинейной дисперсией показателя преломления для решения различны* целевых задач.

4. Методы обработки сигналов ИИС для повышения точносге измерений при использовании прецизионных измерительных систем I

дальнометрии, интерферометрии, спектроскопии, космическом позиционировании и т.п..

5. Методы обработки сигналов ИИС для исследования среды распространения на основе использования нелинейности дисперсии как источника измеряемого физического параметра, более чувствительного к характеристикам среды распространения, чем известные (интенсивность, поляризация и т.п.).

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в теоретическом, методическом, экспериментальном развитии направления исследований взаимодействия электромагнитных сигналов и среды распространения, позволяющих объяснить и уменьшить систематические погрешности прецизионных измерений в атмосфере, предложить и обосновать более чувствительные, бесконтактные методы мониторинга сред.

Получены теоретические соотношения для оценки влияния нелинейности дисперсии атмосферы на погрешность измерений измерительными системами высшей точности.

Разработан и применен численный метод получения указанной оценки в случае отсутствия аналитического решения.

Получено дисперсионное соотношение для стандартной атмосферы в видимой и ближней ИК областях спектра, в три раза более точное, чем действующее в настоящее время.

Разработан метод введения поправки за влияние нелинейности дисперсии при высокоточных измерениях различного вида.

Разработан на основе нелинейности дисперсии новый способ определения концентрации компонент смеси и предложена технология ее применения как инструмента исследования среды.

Практическая ценность работы.

Практическая ценность результатов работы относится к каждому типу измерительных систем, сигналы которых были исследованы в процессе проведения работы.

Разработаны методы уменьшения систематическая погрешностей лазерных измерений наивысшей точности (светодальномерных и интерференционных) и даны рекомендации по устранению выявленного источника погрешности.

Разработан метод уменьшения зависящей от расстояния погрешности высокоточных дальномерных систем с ИК излучателями и даны рекомендации по учету выявленного источника погрешности.

Разработан метод повышения точности определения координат наземных точек с использованием спутниковых радионавигационных систем.

Разработаны и предложены принципы построения лазерных бесконтактных измерителей малых и сверхмалых концентраций примесей в атмосфере.

Разработан и предложен новый тип приемников космических навигационных систем с компенсацией влияния ионосферы.

Предложен метод создания постоянной космической сети глобального мониторинга ионосферы в прогностических целях.

Работа поддерживалась и поддерживается грантами Госкомвуза РФ и Миннауки РФ, основными из которых были "Фундаментальные исследования в технических университетах", "Конверсия, экология и высокие технологии", "Новые физические принципы измерений", "Метрологическое обеспечение высокоточных геодезических измерений", а также гранта Миннауки РФ по программе "Российский лес" и др., в которых автор является руководителем или ответственным исполнителем. Кроме того, результаты включены в итоговый отчет отдельной Международной рабочей группы "Refractive indices of light, infrared and radio waves in the atmosphere" Комиссии IUGG по физическим постоянным. На основе этого отчета XXII Генеральная Ассамблея МГТС в текущем 1999 году приняла специальную резолюцию об интенсификации исследований в указанном направлении на предстоящие четыре года.. Ответственным исполнителем от России назначен автор данной диссертации.

Работа представляет интерес для зарубежных исследователей Австралии, Англии, Германии ,Испании, Нидерландов, США, Франции, Швейцарии и Японии. Идут переговоры о сотрудничестве в международных проектах по метрологии и ионосфере.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на XVI Генеральной ассамблее WGG (1975,Франция), на Коллоквиуме рабочей группы 6.7 KAPG (1977 .Германия), на 11 и 12 Всесоюзном и межреспубликанском симпозиумах по распространению лазерного излучения (1991,1993),на Международном научно-практическом семинаре "Конверсия"(1992), на Российской научно-технической конференции "Возможности создания и применения космических средств для решения фундаментальных и прикладных задач" (1993), на 5й Российской научно-технической конференции "Оптические и радиоволновые средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды" (1993), на 4й Международной научно-технической конференции "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (1994), на Международной

научно-технической конференции "100-летие начала использования ЭМВ и зарождение радиотехники" (1995), на XXI Генеральной ассамблее IUGG (1995,США), на Европейском симпозиуме "Оптика для мониторинга окружающей среды и безопасности общества" (1995, Германия), на Международной научной конференции по лазерной спектроскопии (1995), на Международном конгрессе и выставке "Экология мегаполиса" (1996), на XII Международном симпозиуме "Молекулярная спектроскопия высокого разрешения" (1996), на Международном конгрессе "Лесные экосистемы и национальные парки"(1996, Югославия), на Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики"

(1996), на Международном симпозиуме "Оптическая наука, техника и инструментальное обеспечение" (1996,США), на Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность больших городов" (1997), на Межгосударственном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск

(1997), на Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии" (1997), на XI Всемирном лесном конгрессе (1997,Турция), на IV Международной научно-технической конференции "Спектроскопия ТДЛС"

(1998), на Международном симпозиуме "Мониторинг атмосферы и определение химических и биологических загрязнений" (1998, США), на Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии"

(1999), на XXII Генеральной ассамблее IUGG (1999, Англия), на Международном симпозиуме по GPS "Применение GPS в науках о Земле..." (1999, Япония), а также на 6 ведомственных научно-практических семинарах и на 11 научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГУЛ. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, список некоторых из них (основных) приводится в конце реферата.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 170 страниц, 56 иллюстраций, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 166 наименований.

Содержание работы.

Введение.

Содержит общее обоснование актуальности тематики, характеристику выбранного научного направления, его научной новизны и практической значимости. Приведены краткие сведения о структуре и содержании диссертации.

Процессы распространения в атмосфере электромагнитных сигналов информационно-измерительных систем играют существенную роль в

определении качества функционирования системы в целом, особенно, для дистанционных измерителей наземного базирования, телеметрических систем космического базирования и бесконтактных измерителей собственных параметров атмосферы.

Анализ опубликованных источников информации показывает, что методы обработки и анализа сигналов, при распространении их в различных средах, исследованы достаточно всесторонне.

Первые в России практические работы в области оптической дисперсионной рефрактометрии атмосферы (Н.А. Арманд), исследования по оптической интерферометрии больших длин (А.Н. Голубев), исследования динамики ионосферы фазовым методом (Ю.Н. Черкашин), диагностика ионосферы ЛЧМ-методом (В.А.Иванов), исследование искусственных образований (В.П. Урядов) и др. существенно добавили информации о параметрах диспергирующих сред.

Однако, практически во всех случаях при теоретическом описании процессов дисперсионная характеристика среды предполагалась линейной, а спектр сигналов достаточно узким, что обеспечивало достаточную представительность модели на уровне относительной точности измерительных систем порядка 10"6 -10" измеряемых величин.

Однако, появление в последнем десятилетии измерительных средств с повышенной инструментальной чувствительностью (линейные интерферометры до 10"ш, дальномеры 10"8, спектрометры с разрешением лучше 10"8, космические координирующие системы 10"8 и т.п.) показывает в ряде случаев при работе в атмосфере систематические расхождения с расчетными величинами, которые не могут быть объяснены известными причинами и требуют дальнейших теоретических, методических и экспериментальных исследований.

Первым шагом, по нашему мнению, является ослабление ограничения исходной модели, которое позволяет подвинуться в уточнении целого класса процессов распространения электромагнитных сигналов информационно -измерительных систем - квазимонохроматических сигналов в среде с нелинейной дисперсией. Вместе с тем, рассмотрение в работе полной комплексной формы сигналов (с фазой), в дополнение к традиционному анализу только огибающей сигнала, позволяет выявить и исследовать новый измеряемый физический параметр более чувствительный к характеристикам среды распространения, чем традиционные параметры, и на основе его предложить новые, более чувствительные методы исследования среды.

Первая глава.

Содержит анализ современного состояния вопроса, формулировку проблемы и обоснование выбора направления исследований.

При этом рассмотрены применимость и ограничения имеющегося теоретического аппарата для обработки и анализа всего многообразия

сигналов применяемых ИИС. Показано, что известное полное волновое уравнение для распространяющегося электромагнитного сигнала

2

= 0, (1)

с учетом особенности решаемой задачи, может быть упрощено. Эти упрощения, учитывающие нелинейность дисперсии, подробно исследованы для случаев компрессии коротких оптических импульсов (С.А. Ахманов, В.М. Гордиенко) и для случаев пространственной дисперсии при формировании оптических пучков. В большинстве случаев сигнал может быть представлен в виде волнового пакета плоских волн (В.Л.Гинзбург)

Е0(О = А(Оехр(к>О (2)

со спектром

= ) Е0(1)ехр(Ча1)& . (3)

2 ТС

Дисперсионная характеристика канала распространения с учетом рассматриваемого второго приближения может быть представлена в виде степенного ряда

ф(а)=ф(а0)+<р'(<э0)а + 0.5<р"(са0)П2+... . (4)

В этом случае комплексная форма принятого сигнала будет описываться математическим соотношением

1

Е(1)=—|Г А(т)ехр [¡(со0т-сэт + ои)]> 2тгJ *

хехр 1 -<?((з0)-ф'(<ЗоХ<а-®о)-

Ф "((0оХ(0~<ао)2

(5)

Лоск

Из соотношения (5) следует, что конкретная комплексная форма принятого сигнала зависит от конкретной формы излученного сигнала и величины локальной нелинейности дисперсионной характеристики среды. Следовательно, если ср"(®о) достаточно мала, то интеграл (5) описывает классическую ситуацию с линейной дисперсией. Однако, подобное условие является неопределенным, т.к. неизвестны коэффициенты, стоящие перед нелинейной частью дисперсии (зависит от конкретного вида сигнала) и не учитывается дисперсия поглощения. Общепринятая оценка пренебрежения нелинейностью является недостаточной.

Во втором параграфе проведен анализ исследований дисперсионных характеристик атмосферы и определение ситуаций, когда становятся существенными явления, влияющие на методы обработки сигналов. Проанализированы все последние (за 30 лет) уточнения существующей дисперсионной формулы стандартного воздуха (Эдлен), выведена и предложена новая, имеющая точность примерно в три раза более высокую, чем используемая в современной метрологии

(П-1Н0' =8629.574+ 23237323 г + 12989 105 , (6)

127.060012-О 37,884361-а

Однако, различие между формулами не превосходит в среднем единиц восьмого знака и не объясняет имеющихся систематических расхождений измерений. Дисперсионные характеристики атмосферы принципиально нелинейные, но "гладкие", и считается, что они практически не влияют на нелинейность фазы с позиций общепринятого критерия (малость третьего слагаемого в (4)).

С учетом выявленной роли второй производной показателя преломления продолжено исследование влияния молекулярных резонансов на локальные дисперсионные свойства среды. Получена формула аналитической зависимости второй производной фазы сигнала в районе действия спектральной линии молекулярного резонанса. Эта зависимость в общем виде, с началом координат в центре линии и с частотным масштабом в единицах полуширины линии, имеет вид

, АЫ

6х - 2х3

(7)

Из формулы (7) видно, что вблизи спектральных линий влияние нелинейности дисперсии на сигнал возрастает примерно как где № порядок производной, ад- отношение полуширины линии у к резонансной частоте, т.е. может быть весьма большим (1010-1012).

Приведены конкретные примеры высокоточных измерений в атмосфере модулированными сигналами (Дж. Лангбейн, Дж. Рюгер), лазерными интерферометрами (П. Шеллекенс, Р. Таллман), космическими координирующими системами (П. Джоргенсен) и сканирующими лазерными спектрометрами (А. Генри). Все указанные приборы по необъяснимым причинам остановились при измерениях на пределах ниже их расчетных характеристик по точности и чувствительности. Попытка объяснения, снятая или ослабления отмеченных ограничений и определяет направление наших исследований.

Вторая глава.

Глава посвящена дальнейшему развитию влияния среды на методы обработки сигналов ИИС при учете второго порядка дисперсии.

Установлены особенности дисперсионных характеристик атмосферных каналов ИИС, влияющих на методы обработки сигналов. Получены математические соотношения оценочных параметров ряда (4) как для общепринятых "гладких" дисперсионных зависимостей, так и для областей вблизи спектральных линий поглощения. Приведены численные оценки для некоторых измерительных ситуаций, показана значимая роль дисперсии поглощения и отмечены условия, наиболее неблагоприятные для высокоточных измерений.

Подробно рассмотрен теоретически АМ-сигнал

Е(0 = (I + тсовП^ехр^са^) , (8)

который в точке приема под воздействием среды (4) приобретает вид

Е(1) = ^14 2т С05М^М1С05(а1 _ ф'(га(1)П)+ щг сое2 (Г* - ф'(ш0)П)) х

.О2------ „ _ 1 . (9)

хехр

i(o0t-<p(ffl0)-arctg

m sin( ф"(о0 ) -—) cos(i2t - <р'(ш0 )fi)

О2

1 + mcos(<î>*(o0)—)cos(ftt - <p'(«o )Q)

Из сравнения формул (9) и (8) видно, что диспергирующая среда существенно влияет на сигнал, даже на такой, относительно простой, как АМ-сигнал.

Обычно в измерительной аппаратуре для указанных сигналов т<1 и 0.5ф"(к>о)П2«1 тогда амплитуду в (9) можно представить как

A(t) = I + m cos(fit - Йф(а>0)) +-Г ,L о ч ч '

1+m cos(Dt - Q<j> (со„ )

где видно, что из-за нелинейности дисперсии появляется синхронная помеха и искажение гармонического сигнала. Амплитуда сигнала исследована подробно в различных измерительных ситуациях.

Как следует из общего представления сигнала (9) влияние нелинейности дисперсии сказывается не только на амплитуде сигнала, но и сложным образом на его фазе. Основной особенностью дополнительного фазового сдвига, определяемого нелинейностью дисперсии, является его зависимость от времени. Это свидетельствует о том, что при специальной обработке сигнала можно выделить новый, не исследованный ранее

параметр, несущий информацию о среде распространения. Этим параметром является девиация мгновенной частоты принятого сигнала. Учитывая, что мгновенная частота определяется как производная фазы по времени, дифференцируя третье слагаемое в соотношении (9), получим в общем виде

д,{ч__тП5ш(0.5ф'(<Зо)Дг)8ш(^ -Пф'(ш„))_

1+2тсо5(0.5ф'(©<!)а2)соь(т-Пф'(«)в)) + т2со82(а1-П<!>'(с)()))

Из этого выражения видно, что девиация в общем случае имеет нелинейный характер и на несколько порядков более чувствительна к нелинейности дисперсии, чем амплитуда сигнала.

Отмеченное аналитически влияние нелинейной дисперсии подтверждается компьютерным модеделированием.

Ь/Ьо

ш=0.9

1.25 1 1 И)

1.0

0.75

0.50 Ш!};..

0.25 '"^¡(¡р^ Ч!

0.0 "'И!?)!-

Шах I тш

0.0217351 0.0202041

0.0217351 0.0202190

0.0217395 0.0202.075

0.0217915 0.0201571

0.0219040 0.0200694

0.0209445 0.0209425

t

Рис.1 Изменение амплитуды и частоты АМ-сигнала из-за влияния нелинейности дисперсии

м=0.9

Рис.2 Зависимость изменения мгновенной частоты АМ-сигнала от глубины модуляции

На рис.1 графически показаны изменения огибающей, а цифрами справа показаны максимальные изменения длительности периодов заполняющих колебаний за период модулирующей частоты. Эти

максимальные изменения, регистрируются как изменения мгновенной частоты и несут информацию об интегральном значении второй производной фазы сигнала, и, как показывает рис.2, существуют оптимальные параметры установки и условия измерений, при которых чувствительность измерений будет достаточно высока.

При действии спектрального поглощения (экология, спектроскопия) ситуация еще более усложняется и принятый сигнал (9) приобретает вид

E(t) = e"Q+i^l + me

-(r-q)

-íme

-(r-q)

chScos(í2(t - <p'))cos(£22(p" /2) --shS sin(Q(t - <p')) sin(Q2<p " / 2) chScos(Q(t - <p')) sm(íl V / 2) +11 _+sbSsin(Q(t -(p'))cos(QV'/ 2) J

где

Q =

Ay

1

R =

Ay

С (со ¡ — tt>0) + y (со;-со0)2+П2+у2

S =

с ((со,-co0)2-02+y2)2+4y2Q2

Ar_20(0; -co0)_

с ((со; -ш0)2 -ü2 + y2)2 +4y2Q2

(12)

(13)

(14)

(15)

где A - постоянный коэффициент, учитывающий параметры измерительной установки и конкретные условия измерений, у - полуширина спектральной линии, равная ge>i., ю, со0 - резонансная и несущая частоты соответственно, с - скорость света в вакууме.

В этом случае имеет место как значительно большее искажение амплитуды сигнала (16)

A(t)=e-Q[l+me"K+^s(e'"s cos(í2H>'í2+(p"£2¿/2) +

+ cos(Qt^'Q-9"í22/2) +m2e"2R+2Q (cos2(ílt-cp'Q) + sh" S))]'

,0.5

(16)

В качестве примера на рисунке 3 приведены различные виды деформации гармонической огибающей при некоторых модельных условиях.

и

1 1 <

1 ч "V А <л V V 1 ^ А А К / \ / V V \ 1 А, Л \/\1

1 1

в ! 10 5 0 а О

т= =0.3 8=0.2 т= =0.3 8=1.4 ш =0.9 8-0.2

РисЗ. Искажения огибающей АМ-сигнала при распространении вблизи спектральной линии поглощения

Искажения амплитуды в этом случае выражены значительно четче и зависят как от соотношения частоты модуляции и ширины спектральной линии, так и от величины отстройки несущей частоты от центра линии поглощения.

Существенно влияние спектрального поглощения и на величину девиации мгновенной частоты (17)

т П ехр(-Я+С>) соб^) 8ш(<р"Я2/2) 8ш(П(И>')) -- т « ехр(-Я+(5) зшВД соз(ф"П2/2) со8(П(И>')) -- 0.5 т2 П ехр(-2И+2д) ыпЬ(28)

- . (17)

1+ т2 ехр(-2Я+20) совЬ2^) соб2(П(1-ф')) + + т2 ехр(-2Я+20) апЬ2(25) 5т2(а(И>')) + + 2 т ехр(-11+С>) (созЬ(8)со5(ф"П2/2) соз(П(1-ф')) --япЬСв) Бю((р"С22/2) япф^-ф')))

.-0 (№727^ м

»-0.5 19977^

т=0.1 8=0.01

т=0.1 Б=2

т=0.99 Б-О.О!

Рис4. Девиация мгновенной частоты АМ-сигнала при распространении вблизи спектральной линии поглощения

На рисунке 4 видно, что оценки полученные на основе соотношения (17), могут возрасти более чем на два порядка при учете влияния спектрального поглощения.

В третьем параграфе проведены теоретические исследования распространения сигналов немодулированного излучения, характерных для измерительных систем типа линейных интерферометров и фазовых измерений. В классическом представлении этой ситуации сигнал считается строго монохроматическим, а малое расширение спектра за счет неидеальности излучения влияющим только на контраст интерференционной картины. При контрасте картины более 0.75 спектр вообще исключают из рассмотрения. Проведенные исследования показали, что даже для одномодового лазера с конечной шириной спектра излучения распространяющегося в реальной среде интерференционная картина испытывает специфическое влияние расширения минимумов и максимумов полос и систематическая интерференционная добавка к разности фаз описывается математическим соотношением

4я +П (ф*(ш5)) 8 2лг к '

Указанная добавка влияет не только на точность измерений стационарными интерферометрами, но и определяет режим измерений интерферометрами с подвижными зеркалами, где появляется погрешность из-за скорости перемещения зеркала

дк = - (19)

С2 + 2усоУ(О0)

Исследования показали, что влияние нелинейности дисперсии существенно при любой причине расширения спектра (движение источника, сканирование по частоте, деформация огибающей и т.п.).

Третья глава посвящена моделированию сигналов при воздействии нелинейной дисперсии. В дополнение к моделям, проверяющим аналитические выводы и совпавшие с ними (АМ-сигнал, гауссоида), были разработаны алгоритмы и составлены пакеты программ для анализа сигналов не описываемых аналитически, т.к. в этом случае компьютерная модель является единственным источником информации об особенности обработки подобных сигналов.

Пример влияния ионосферы на радиоскачок приведен на рисунке 5, где верхний график показывает изменение амплитуды скачка, полностью совпадающее с результатами В.Л. Гинзбурга (интеграл Френеля), а нижний - отсутствующие у него вариации мгновенной частоты вблизи скачка.

прямоугольного радиоскачка сигнала в зависимости от электронной

концентрации в ионосферном слое

Вариации оказались весьма заметными по величине. На рисунке 6 приведены зависимости изменения мгновенной частоты от критической частоты , слоя Р2 ионосферы (сплошной линией -в первом максимуме кривой, штриховой - в первом минимуме), вычисленные для принятого на Земле спутникового сигнала на частоте порядка 1.5 ГГц, т.е. намного больше самой критической. Вариации достигают мегагерцовых величин.

Подобный результат стимулировал исследования распространения в ионосфере фазоманипулированных радиосигналов, так называемых ШПС сигналов. Сигналы такого типа присущи практически всем телеметрическим, командно - управляющим и связным системам специального назначения, особенно, космического базирования, ввиду наибольшей надежности обнаружения на фоне помех по сравнению с другими видами сигналов. Пример моделирования подобного сигнала приведен на рисунке 7, а зависимость размаха вариаций мгновенной частоты от критической частоты ионосферного слоя приведена на рисунке 8. Верхний график на рисунке 7 показывает изменение амплитуды вблизи фазового скачка. Легко видеть причину снижения остроты максимумов корреляционной функции при автоматическом определении, захвате и сопровождении сигнала в цепях управления. Нижний график показывает технологическую простоту выделения вариаций мгновенной частоты. На рисунке 8 графики получены для несущих частот 1.2 ГГц (сплошной) и !.6 ГГц (пунктирный). Учитывая стабильность генераторов (10"л) вариации возможно измерить с точность 1 Гц.

Рис. 7 Деформация фазоманипулированного сигнала в ионосфере

Рис. 8 Вариация мгновенной частоты ШПС сигнала в зависимости от электронной концентрации в ионосфере

Четвертая глава.

Содержит результаты экспериментальных исследований и натурных оценок влияния среды с нелинейной дисперсией.

В первом параграфе описана экспериментальная установка для исследования основных особенностей воздействия нелинейной дисперсии на АМ-сигнал. В экспериментах указанная среда моделировалась радиотехнической системой с комплексной передаточной функцией с регулируемыми параметрами. Структурная схема системы приведена на

Справа приведены измеренные характеристики установки, необходимые для расчетов. С учетом этих характеристик и формул (16) и (17) получены теоретические соотношения для огибающей и девиации частоты. Теоретическая форма огибающей выходящего АМ-сигнала может быть представлена в виде

АО) = -у/(1 + тК сов(<?"П2 / 2) со&(Ш))2 + ш2 (Я - в)2 апг(01) , (20)

где

2.3р2 ' 2.3|32+<12 + П2

5= 23Р2(Ю (22)

(2.3р2+<12 + П2)2 ' К }

а теоретический закон девиации мгновенной частоты

. __тШ 5ш(ф'Оа / 2)со5(О0_

(1 + тЯ со5(<р"П2 / 2) совСГЙ))2 - т2 (Л - Б)2 бш 2 (П1)

Указанные закономерности были измерены экспериментально. На рисунке 10 приведены графические примеры результатов амплитудного эксперимента с частотами модуляции 80 и 100 Гц при глубине модуляции т=0.9 и диапазоне перестройки от -100 до 100 Гц. относительно точки нулевой нелинейности.

Рис. 10. Влияние нелинейной дисперсии на глубину молулянии при т = 0.9

1 л

I?

Для определения влияния нелинейности дисперсии на амплитуду сигнал, модулированный по амплитуде с фиксированной глубиной, последовательно перестраивается в пределах амплитудной характеристики системы на точки с различными значениями второй производной фазы. В этих точках производится измерение коэффициента модуляции принятого сигнала как отношения переменной составляющей сигнала к его постоянной составляющей.

Сравнение с теоретическими расчетами приведено в таблице 1 и свидетельствует о наличии указанного влияния. Таблица 1

Расстройка (Гц) -100 -45 -22 0 22 45 100

Мод. Эксп. 10.8 ±2.7 30.2 ±1.3 20.4 ±4.1 0.8 ±5.2 21.2 ±3.8 30.8 ±5.2 9.8 ±1.7

80 Гц Теор. 10.2 30.0 19.9 0 19.9 30.0 10.2

Мол. Эксп. 21.1 ±3.2 59.3 ±6.1 42.0 ±3.7 -0.2 ±4.7 39.9 ±2.7 58.8 ±11.1 20.4 ±2.6

100 Гц Теор. 20.2 59.6 40.6 0 40.6 59.6 20.2

Для проверки влияния нелинейности дисперсии на мгновенную частоту сигнала в точке максимальной величины нелинейности дисперсии (максимум второй производной фазы) были измерены амплитуды девиации мгновенной частоты как функции глубины амплитудной модуляции. Пример измерений проведен на рисунке 11.

и(д

в о -

100 Гц

в

)

80 Гц

40 Гц Г 1

о ,о

0 ,8

Рис. 11. Экспериментальная зависимость девиации мгновенной частоты от глубины амплитудной модуляции

7 0"-

зо-

5 0-

4 0

3 0-

2 0-

6

I о

Сравнение с теоретическими расчетами приведено в таблице 2 и также подтверждает наличие влияния нелинейности дисперсии.

Таблица 2

Номера точек 2,2,3 3,4,5

Модуляция 80 Гц Эксперимент 1.02±0.05 0.75+0.07

Теория 0.99 0.70

Модуляция 100 Гц Эксперимент 0.95±0.07 0.62±0.06

Теория 0.90 0.61

В дополнение к прямым экспериментам во втором параграфе приведены оценки натурных измерений в атмосфере.

Наиболее высокоточными измерительными системами, работающими в приземной атмосфере, являются, так называемые, дисперсионные дальномеры-рефрактометры, которые были детально исследованы Дж Лангбейном. Эти приборы используют амплитудную гармоническую модуляцию оптического излучения газовых лазеров для получения информации о длине линии до точки отражения излучения путем измерения задержки фазы модуляции отраженного излучения относительно исходной. Частота амплитудной модуляции достаточно высока (10 ГГц), и достигнутая инструментальная точность отсчетов равна 1-Ю"9, что соответствует проектной точности измерений 2-Ю"8 (измерения производятся на двух длинах волн 632.8 и 441.5 нм и, соответственно, приборный коэффициент равен 20]). Реальная достигнутая точность измерений 2-10"7 свидетельствует о существовании ограничивающего внешнего источника погрешности.

На основе исследований технических характеристик различных промышленных лазеров можно считать наиболее вероятной длину волны гелий-неонового лазера равной в воздухе 632.8172 нм. В то же время, согласно данным атласа спектральной прозрачности атмосферы, вблизи указанной длины волны имеются слабые узкие линии поглощения, присущие молекулярному кислороду 632.8050, 632.8210 и 632.8460 нм. Ближайшей линией является резонанс на 632.8210 нм. Таким образом, в данном случае при обработке сигнала применима методика, представленная формулой (16). Теоретическая оценка проведенная на основе указанной формулы позволяет рассчитать зависимость погрешности от расстояния и сравнить с натурными измерениями. Результат сравнения показан на рисунке 12, где черные точки соответствуют теоретическим значениям. Остальные точки представляют результаты полевых измерений.

ь

Рис. 12. Расчетная и измеренная зависимости погрешности от расстояния для АМ-сигнала на волне 633 нм.

В этом же параграфе приведены результаты натурных экспериментов по распространению в атмосфере излучения модулированного по амплитуде гармоническим сигналом в условиях влияния множества спектральных линий водяного пара. В экспериментах измерялась фазовая задержка модулирующего колебания частоты 750 МГц, прошедшего в атмосфере набор калиброванных расстояний Ь км. Измерения проводились независимо четырьмя приборами с инструментальной точностью ± ( 0.1+0.2 Ькм)мм. Излучателем был светодиод инфракрасного диапазона с достаточно широким спектром излучения. Точная форма спектра излучения, необходимая для расчетов, была получена на специально созданной установке с разрешающей способностью 0.7 А0, а параметры спектральных линий водяного пара взяты из электронного атласа НГтАК

Аналитическое выражение комплексного (с учетом спектрального поглощения) влияния спектральных линий имеет вид

1.38'КГ23 (273.15+1)

е

х

г __-1

|ехр(- (2лЛпТ(ш -со„) / Дш)' ]ехр

ск)

Вычисление было проведено на ЭВМ по специально разработанной программе. На рисунке 13 приведено графическое сравнение расчетных и измеренных данных, которое свидетельствует об их совпадении в пределах точности проведенных экспериментов.

з

9

Л 1

е 1

* 1 <л

П 0

л

-1

■ г

5 с

5 О

6 О

о

5 О

О -

. • • -С' *

1 ы . I. ( т )

—I—■—1—г-О 4

-1-

О О

"Т-'-1-'-1-•-1-'

<200 1600

Рис. 13. Сравнение измерений (1) и теории (2) для АМ-сигналов при к = 900 нм

В данном случае средняя систематическая погрешность измерений определяется как ДЦмм)= -0.18+11.1-Ю^Цим) (1), а расчетная погрешность - как ДЬ(мм)= -О.ООШ^-Ю^Цкм) (2), которая свидетельствует, что практические измерения имеют систематическую погрешность и, по крайней мере, 30% ее можно объяснить дисперсионными причинами и компенсировать на основе предложенного метода обработки измерений.

Из этого сравнения следует практическая целесообразность применения разработанной методики учета влияния большого количества спектральных линий (полос поглощения) при работе с АМ-сигналами от широкополосных источников излучения.

Во третьем параграфе приведены результаты натурных экспериментов по высокоточным лазерным интерференционным измерениям в реальной атмосфере. Экспериментальные данные заимствованы из работы Шеллекинса с сотрудниками, которые в 1988 году выполняли специальные исследования по сравнению между собой и независимым измерением четырех интерференционных эталонов созданных метрологическими службами четырех государств. Между интерференционными и независимыми результатами было выявлено систематическое расхождение, которое по оценке экспериментальных данных равно 5-10"8±2-10"8.

1

О

£

Полученные в данной диссертации теоретические формулы позволяют ввести в экспериментальные результаты поправку за влияние нелинейности дисперсии воздуха равную в данном случае -2.31-10"8, что приводит экспериментальные результаты (рис. 14) в лучшее соответствие с независимыми измерениями, в пределах погрешностей обоих измерений

Рис.14. Сравнительная оценка усредненных результатов интерференционных (график 1) и независимых метеорологических (график 2) измерений относительно скорректированных значений (график 3).

Вычисленная коррекция справедлива и для работы Хоу и Таллмана, которые в 1994 году проделали аналогичные измерения еще для двух подобных приборов и получили идентичную разность.

Как указывалось ранее, формула (18) применима к любым фазовым измерениям. Это позволяет повести оценку влияния нелинейности дисперсии иойосферы на результаты измерений космическими координирующими системами (GPS), что сделано в четвертом параграфе.

Слой ионосферы будем считать плоским с приведенной толщиной 400 км, а угол прохождения радиотрассы через слой будем задавать зенитным расстоянием спутника Е (угол относительно вертикали направления на спутник). Измерительные частоты GPS: - основная Li = 1.57542 ГГц (длина волны 19 см), вторая L2 = 1.22760 ГГц (длина волны 24.4 см). С точностью, достаточной для данной оценки, спектр сигнала будем считать гауссовым с шириной 1 Мгц.

После соответствующих преобразований получаем достаточно простые формулы фазовых сдвигов (в линейной мере) для частоты L1

8L1 (см) = - 0.5824-F%(Mru)-sec3E, (24)

д ля частоты Ь2

5Ь2(см) = - 1.584-Р2кр(МГц)-8ес3Е , (25)

а для дисперсионной поправки в основную частоту по результатам двухчастотных измерений

ДЬ1 = 1.5336(51Л-5Ь2) = 1.53Р2крзес3Е . (26)

Для средних условий измерений (Ркр = 5 МГц, Е = 45°) систематическая погрешность оценивается величиной 106.9 см.

Пятая глава

Содержит обоснование предложений наиболее эффективного, по нашему мнению, практического применения выявленных особенностей влияния нелинейности дисперсии среды на распространяющийся сигнал, заключающихся в появлении заметных вариаций мгновенной частоты принятого сигнала, более чувствительных к параметрам среды и их изменениям, чем традиционные (амплитуда, поляризация и т.п.).

В первом параграфе изложено предложение по разработке измерителя малых концентраций загрязняющих примесей в атмосфере на основе метода дифференциальной групповой задержки, который базируется на особенностях дисперсионной зависимости вблизи спектральных линий примеси. При этом получено соотношения для определения концентрации указанным методом

цЛ^*. (27)

АЬ

где ДЦг - разность групповых путей на длине базы в экстремальных точках дисперсионной кривой группового показателя преломления. Сравнение по чувствительности с известным и наиболее распространенными методом дифференциального поглощения дает соотношение

= (28) <ШИ 8<КДЬг)о,1 ^(КДЬ,)

При некоторых средних зачениях параметров 1.44-10"6, с1 (ДЬ^ ) =-104, <11 / 1= -10"1 для исследуемой спектральной линии кислорода 0.77 мкм (со; = 2.45 • 1015 э"1) рассчитанное по формуле (28) повышение чувствительности будет 42.5 раза. Разработана структурная схема прибора.

Далее приведено обоснование по разработке прибора для определения сверхмалых концентраций примесей в атмосфере и основанного на измерении производной фазы принятого сигнала.

В этом случае для определения концентрации выведена формула

с у2 Аюд

N=- . (29)

l^mi^ALc^

Записывя, для сравнения чувствительности данного метода относительно базового, как дробь аналогичную (28), получаем

dN3 0.72 m Q3(dM)

- = - . (30)

dN7 у2 <КДа>д)

Для некоторых средних параметров установки и условий измерений m = 0.3, П = 2тс 109 ссШ = 0.01, у = 2п 1.5-109 с1 (т.е..» 0.05 см'1), d(AraA) = 2л 100 с"1 (при величине девиации 106 109 Гц) получаем повышение чувствительности порядка * -104 раз. Блок-схема прибора, реализующая предложенную схему измерений, разработана.

Во втором параграфе проведено обоснование по разработке метода и средств определения полной электронной концентрации на радиотрассах каналов связи "космос-Земля" на основе особенностей распространения сигналов в ионосфере как среде с нелинейной дисперсией. На основе проведенных модельных исследований выведена формула определения ТЕС по величине вариации мгновенной частоты спутникового сигнала

ТЕС = 2.48.1017(a + b-Af)-cosE, (31)

где а,в - коэффициенты, зависящие от аппаратуры, несущей частоты и параметров сигнала, ■ Af - девиация мгновенной частоты в точке приема (в килогерцах), Е - 'зенитное расстояние спутника из точки наблюдения. В этом случае ТЕС имеет размерность эл./м2.

Для GPS и работающих с ней приемников коэффициенты а.в будут равны: для частоты Li а = -1.66; b = 1.88; для частоты L2 а = - 2.4; b = 0.64.

Таким образом, появляется возможность разработки простого одночастотного приемника с точностью двухчастотного.

Однако, по нашему мнению, более эффективным применением результатов проведенных исследований в этой области, является возможность использования спутников практически любого целевого назначения для измерения ТЕС ионосферы без нарушения их целевого функционирования.

На основе проведенных исследований предложена концепция создания сети глобального мониторинга ионосферы для прогностических

целей (предсказание геофизических явлений, определение радиопогоды и т.д.). Реализация концепции предполагается в рамках наиболее перспективной современной технологии - спутниковой радиотомографии, разработанной Куницыным и Терещенко. В рамках этой концепции нами созданы алгоритмы и пакеты программ, проверенные на натурных космических экспериментах по восстановлению вертикальных профилей электронной концентрации в ионосфере. Пример таких восстановленных профилей для четырех спутников по данным в форме ШИЕХ приведен на рисунке 15.

Рис. 15. Пример восстановления вертикальных профилей ионосферы по 4 спутникам (координаты условные).

С другой стороны, как было указано выше, большинство прогностических признаков, могут быть определены разработанным методом по прохождению излучения практически любого спутника, которых несколько сотен с известными приближенными координатами и которые могут составить сеть практически постоянного глобального мониторинга ионосферы. На рисунке 17 приведен сравнительный пример поступления информации о некоторых сейсмических явлениях (отмечены точками) при различных технологиях мониторинга. Толстые горизонтальные линии - стационарные наземные обсерватории, толстые наклонные линии - специализированный низкоорбитальный спутник и наклонные тонкие линии - система из 20 средневысотных спутников (типа GPS). Тонкие пунктирные линии образуют ячейки, размеры которых и их комбинации обеспечивают весь пространственно-временной диапазон прогностических предвестников, указанных геофизиками.

1.5 3.0 час

Рис. 16. Сравнение плотности сетевого мониторинга различными методами (гор. - обсерватории, накл. толстые - спецспутник, накл. тонкие - спутниковая сеть)

Таким образом, обнаруженная и исследованная в данной работе возможность определения параметров ионосферы, позволяет решить проблему информационного обеспечения постоянной сети глобального мониторинга состояния ионосферы для различных целей.

В заключение приведены основные результаты диссертационной работы:

1) рассмотрено современное состояние методов обработки и анализа сигналов ИИС, действующих в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии, сформулирована научная проблема исследований по повышению точности и достоверности информации ИИС некоторых классов, показана ее значимость и актуальность;

2) создано теоретическое обоснование на новые методы обработки и анализа сигналов ИИС в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии и получены теоретические соотношения для учета степени этого влияния на сигналы различных ИИС;

3) созданы алгоритмы и пакеты программ численных методов обработки и анализа сигналов в отмеченных условиях, включая случаи невозможности аналитического решения проблемы;

4) разработаны рекомендации по повышению точности практических измерений в интерферометрии, анемометрии, дальнометрии, спектроскопии и космическом координировании путем применения

новых методов обработки сигналов соответствующих измерительных систем;

5) выявлены новые параметры сигналов ИИС более чувствительные к характеристикам среды, чем известные (амплитуда, поляризация и т.п.) и разработаны методы их анализа, адаптированные к техническим средствам соответствующих ИИС;

6) разработаны и предложены технологии наиболее эффективного практического применения разработанных методов обработки и анализа сигналов ИИС в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных публикациях.

1. Генике A.A., Галкин Ю.С. О влиянии молекулярных резонансов на точность светодальномерных измерений // Научные труды ЦНИИГАиК 1975. Вып. 207. С .36-63.

2. Genike A.A., Galkin Yu.S The effect of molecular resonances on the group velocity of ligh in electromagnetic distance measurements // ХУ1 General Assembly of the IUGG. Grenoble, 1975 (препринт).

3. Генике A.A., Галкин Ю.С. Способ определения интегрального группового показателя преломления воздуха Авт.свид. 542127 G01N 21/46 1975.

4. Genike A.A., Galkin Yu. S. Forsduing der Moglichneit der Benutzung des Vorimpulses fur die Erschwach und der Einwikkung des atmosphurs auf die geodischen Messumgen Kollog. der KAPG-Ar.- beitsgruppe 6.7." Refractions-und Turbulenzeintlusse auf visier-und laserstrahlev. Drezden, OCT. 1977.

5. Галкин Ю.С. Распространение модулированного сигнала вблизи линии поглощения. XI Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск,1991, с.184.

6. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Региональный экологический мониторинг лазерными методами //Научные труды МГУЛ, 1993, вып. 248, с.18-31.

7. Галкин Ю.С. Распространение информационно - измерительного сигнала в нелинейно диспергирующей среде. // Научные труды МГУЛ, 1993, вып. 258, с.55-63.

8. Галкин Ю.С., Трегуб И.В., Харченко В.Н. Определение концентрации компонент среды методом трансмодуляции. XII Межреспубликанский симпозиум по распространению лазерного излучения. Томск. 1993, c.183.

9. Галкин Ю.С., Трегуб И.В., Харченко В.Н. Определение интегральной электронной концентрации при томографии ионосферы. // Научные труды МГУЛ, 1993, вып. 258, с. 184.

10. Галкин Ю.С., Виноградов ВВ., Харченко В.Н. Способ определения концентрации компонент среды. Заявка 93-048963/25(049142) G01 v21/62, от 25.10.93, положительное решение от 12.02.96.

11. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. О возможности одноволнового определения ионосферной поправки при измерениях GPS. // Геодезия и картография, 1993, № 12, с. 24-26.

12. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Компьютерное моделирование распространения гармонического АМ-сигнала в среде с нелинейной дисперсией. // Научные труды МФТИ, "Проблемы дифракции и распространения волн", 1994, с.144-149.

13. Галкин Ю.С., Татевян Р.А. Проблема получения новой формулы показателя преломления воздуха для использования в высокоточной дальнометрии.//Геодезия и картография, 1994, №9, с. 11-13.

14. Виноградов В.В., Галкин Ю.С. Распространение амплшудно-моделированной волны в среде со слабой нелинейной дисперсией. // Оптика атмосферы и океана, 1994, т.7, № 3, с. 13-15.

15. Вологдин А.Г., Галкин Ю.С., Гусев В.Д. О дисперсионной особенности радиосигнала, распространяющегося в ионосфере. // Физическая мысль России, 1995, № 2, с.28-31.

16. Галкин Ю.С., Татевян Р.А .К вопросу о новой формуле показателя преломления воздуха. // Геодезия и картография, 1995, № 6, с. 19-22.

17. Галкин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко В.Н. Применение томографии при мониторинге ионосферы для экологических целей // Научные труды МГУЛ, 1995, вып.283, с.122-127.

18. Галкин Ю.С.,Дубровин С.В. Теория определения малых концентраций веществ методом дифференциальной групповой задержки. // Научные труды МГУЛ, 1995, вып. 283, с .231-238.

19. Галкин Ю.С., Дубровин С.В. Экспериментальная установка для определения малых концентраций загрязнений в атмосфере методом дифференциальной групповой задержки // Научные труды МГУЛ, 1995,, вып.283, с. 238-246.

20. Galkin Yu. S., Kharchenko V.N. Atmospheric pollution determination by the differential qroup delny method // European Symp. "Optics for Environmental und Public Safety", Munich, 1995.

21. Galkin Yu.S., Tatevian R.A. Resonances Influence on the Phase and the Group Refracture Indeces of air // XXI General Assembly of the IUGG, Boulder, 1995.

22. Galkin Yu.S., Tatevian R.A. The Problems of obtaing the Formulas of the Refractive Indeces of air for High Precision EDM // XXI General Assembly of the IUGG, Boulder, 1995.

23. Galkin Yu.S., Kharchenko V.N. Atmospheric pallution determination by the differential qroup delay method// Proc. SPIE "Air. Taxics and Wate Monitoring", 1995, v.2503,P. 172-177.

* л

24. Galkin Yu.S., Kharchenko V.N. Atmospheric oxygen concentration determination by the differential qroup delay method //Spectrochimica Acta Part A.52,1996, pp. 919-923.

25.Galkin Yu.S., Kharchenko V.N. Laser method of atmospheric pollution diagnoses (monitoring) // ISC "Forest ecosystems of the national parkes" Basta, 1996.

26. Гашсин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко B.H. О томографии ионосферы с использованием данных GPS в формате RINEX // Международный симпозиум "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", Томск, 1996, с7 27-28.

27. Галкин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко В.Н. Применение томографии при мониторинге ионосферы для экологических целей. // Научные труды МГУЛ, 1996, вып. 283, с. 122-127.

28. Galkin Yu.S. Propagation of the quasimonochromatic signal through medium having nonlinear dispersion // Proc. SPIE, 1996, v.2834, p.262-269.

29. Galkin Yu.S., Kharchenko V.N. About the carbon dioxide dynamics in the forest ecosystems // XI World Forest Congress, Antalia, 1997.

30. Галкин Ю.С. Влияние нелинейности дисперсии на измерение параметров . линии поглощения методом лазерного сканирования.// Всероссийский симпозиум "Оптика атмосферы и океана",Томск, 1997.

31. Галкин Ю.С. Лазерные интерференционные измерения в диспергирующей среде. .// Всероссийский симпозиум "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1997.

32. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Доплеровские измерения в среде с нелинейной дисперсией // IV Всероссийская НТК "Лазерные методы исследования потоков", Москва, 1997, с.206-208.

33. Galkin Yu.S., Tatevian R.A. The problem of obtaing formulae for the refractive index of air for high-precision EDM // Journal of Geodesy, 1997, v.71, pp. 483-485.

34. Galkin Yu.S., Tatevian R.A., Influence of resonances on the phese and the group refractive indices of air. // Journal of Geodesy, 1997, v.71, pp. 680-684.

35. Галкин Ю.С., Захаров Д.З., Харченко B.H., Распространение радиоскачка через ионосферу. LII научная конференция посвященная Дню радио, Москва, 1997.

36. Галкин Ю.С.О новом информационном параметре в лазерных сканирующих спектрометрах. Всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии", Москва, 1997.

37. Галкин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко В.Н. Натурные эксперименты по томографии ионосферы с использованием космическое навигационной системы // Научные труды МГУЛ, 1998, вып. 282, с. 11-29.

38.Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Экологические задачи и сетевое спутниковый мониторинг ионосферы / /Научные труды МГУЛ, 1998, вып 294, с, 79-93.

39. Галкин Ю.С., Татевян Р.А. Оценка влияния не учитываемых внешних факторов на точность измерений с использованием GPS. // Материалы НТК "Современное состояние и перспективы развития геодезии, фототопографии, картографии и геоинформационных систем", М.: ЦНИИГАиК, 1998, часть 3, с.51-56.

40. Galkin Yu.S. New technology for rising the sensetivity of the concen -tration determination by TDLS. ISC " Tunable Diode Laser Spectroscopy", 1998, Moscow.

41. Galkin Yu.S., Kharchenko V.N. New dispersive method for measuring weak pollutant concentration // Proc. SPIE Vol. 3533, 1998, P. 250-256.

42. Галкин Ю.С., Харченко B.H. Определение концентрации компонент потоков методом нелинейной частотной дисперсии. // V международная НТК «Оптические методы исследования потоков», Москва, 1999, с. 206-208.

43. Galkin Yu.S., Kharchenko V.N., Zakharov D.Z. A single frequency ionospheric correction for GPS. XXII General Assembly, Birmingham,1999.

44. Galkin Yu.S. Some error sources in high precession interferomrtric and electronic distance measurements. XXII General Assembly, Birmingham,1999.

45. Galkin Y. Effect on the non-linearity of the ionospheric refractive index on the GPS measurements. International Symposium on GPS, Tsukuba, 1999.

сательство Московского государственного университета леса. 005. Мытшцн-5, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ ефон: (095) 588-57-62

ЛР№020718 от 02.02.1998 г.

зписано к печати М. 9 3. ьем 2 ь.л.

Тираж WO экз. Заказ 515"

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы и обоснование выбранного направления исследований.

1.1 Теоретическое описание сигналов информационно-измерительных систем (ИИС) в условиях влияния внешних воздействий.

1.2. Современное представление характеристик атмосферных каналов

ИИС, влияющих на методы обработки сигналов.

1.3. Постановка проблемы и обоснование выбора направления исследований

Глава 2. Развитее теории влияния среды на методы обработки сигналов ИИС при учете второго порядка дисперсии

2.1. Установление особенностей дисперсионных характеристик атмосферных каналов ИИС, влияющих на методы обработки сигналов

2.2.Доказательство возникновения специфических искажений сигнала с гармонической амплитудной модуляцией в средах с нелинейной дисперсией.

2.3. Оценка влияния нелинейной дисперсии среды на сигналы интерференционных измерительных систем.

2.5. Выявление особенностей обработки импульсных сигналов с гладкой и разрывной модуляцией по амплитуде или частоте.

Глава 3. Компьютерное моделирование и численные эксперименты по исследованию влияния нелинейной дисперсии на сигналы ИИС

3.1. Исследование влияния нелинейной дисперсии на сигналы с амплитудной гармонической модуляцией.

3.2. Моделирование импульсных сигналов с прямоугольной огибающей и радиоскачков в условиях нелинейной дисперсии.

3.3 Численные эксперименты по распространению сигналов с бинарной модуляцией фазы несущей частоты.

Глава 4. Экспериментальные и натурные. измерения при влиянии нелинейной дисперсии.

4.1. Исследование сигналов на экспериментальной установке с регулируемой нелинейной дисперсией.

4.2. Измерения в атмосфере приборами с амплитудной гармонической модуляцией.

4.3. Лазерные интерференционные измерения в атмосфере.

Системы обработки информации и управления в основе своей связаны с конкретными информационно-измерительными и информационно-управляющими аппаратными комплексами и в той или иной степени отражают их специфику. Информационно-измерительные системы (ИИС) практически любого функционального назначения могут быть разделены на составляющие компоненты и содержат в своем составе различные датчики, обрабатывающие, накопительные и индикаторные блоки и каналы передачи сигналов между ними. Параметры этих компонент систем определяют функциональные возможности ИИС и детально исследуются на всех этапах проектирования, разработки и создания систем, с использованием всех имеющихся на соответствующем этапе, научных представлений и достижений. Вместе с тем, практика разработки ИИС показывает, что в ряде случаев не удается в комплексе реализовать потенциальные возможности системы, несмотря на полное соответствие всех ее конструктивных элементов расчетным параметрам. Как правило, это имеет место для ИИС, содержащих одно общее звено - каналы передачи сигналов в неконтролируемых средах - составной части современных технологий, использующих электромагнитные волны. Характеристики этих каналов существенно влияют на качество работы, особенно дистанционных и телеметрических систем, когда каналом передачи сигнала является открытая атмосфера. Эта ситуация является широко распространенной в современных технологиях, использующих электромагнитные волны. К ним относятся эталонная интерферометрия [59], высокоточная метрология на земной поверхности и околоземном пространстве [79], лазерное зондирование [78], спектроскопия сверхвысокого разрешения [150], космическое координирование [77], космическая радиосвязь [92], телеметрия «космос-Земля» [70] и т.п. В измерительных системах появляются систематические погрешности, не объяснимые известными причинами, в информационных системах появляются искажения, не соответствующие реально протекающим явлениям и т.п. В целом, это приводит к снижению эффективности применения ИИС, к ухудшению их измерительных и информационных возможностей, что представляет собой общую проблему как для существующих, так и для создаваемых систем.

Обзор библиографической информации, проведенный в первой главе диссертации, показывает, что в существующих оценках влияния среды на сигналы ИИС недостаточно исследованы некоторые общие для этих сред свойства и, соответственно, отсутствуют критерии их анализа, оценки и методы и формы их учета. В научной литературе обнаружено всего несколько разрозненных публикаций с попыткой детальных исследований по распространению квазимонохроматических сигналов в среде со слабой нелинейной дисперсией показателя преломления, причем в них основное внимание уделено ограниченному числу форм сигнала. Вместе с тем, более детальный анализ таких параметров как фаза сигнала, ее производных по частоте и по времени для различных видов сигналов, позволяют предложить новые методы обработки сигналов. На этой базе можно усовершенствовать ряд высокоточных измерительных процессов в среде и методов мониторинга среды - перспективной тематики для практического приложения современных научных достижений.

Таким образом, научное исследование, посвященное решению проблемы повышения точности и достоверности информации, получаемой по сигналам ИИС при воздействии внешних условий на передаваемые сигналы, представляет собой актуальную работу, изложению которой и посвящена данная диссертация.

Условия распространения сигналов ИИС в открытом атмосферном (диспергирующем) канале, ввиду важности вопроса, исследовались достаточно подробно, и отражены в большом числе проанализированных монографий и научных публикаций. Однако, исследования относились преимущественно к энергетическим характеристикам сигналов (ослабление, рассеяние, дифракция, деполяризация и т.п.), а дисперсионная характеристика среды принималась линейной.

Библиографические источники свидетельствуют, что рассмотрение учета нелинейности дисперсии среды практически относится также только к поведению огибающей сигнала, причем, сводится преимущественно к оценке только расширения импульса. При этом поведение фазы сигнала не рассматриваются и сигналы иных форм, кроме прямоугольной и гауссовой, не анализируются.

В дальнейшем, под влиянием развития идей компрессии импульсов (временного сжатия) в радиотехнике [96] и в оптической области спектра [60] исследовались условия определяющего влияния фазы сигнала на степень его сжатия и было показано, что это возможно с широким спектром специальной формы в условиях сильной нелинейности дисперсии. Это направление исследований распространения широкополосных сигналов в среде с сильной нелинейностью дисперсии включено в последние теоретические обзоры [12],[6] и, в силу большого прикладного значения, интенсивно развивается [159], однако относится к специальным условиям распространения сигналов, не характерным для условий эксплуатации большинства информационно-измерительных систем и используемым формам измерительных сигналов.

Таким образом, область сигналов наиболее распространенных ИИС оказалась теоретически недостаточно исследованной.

В дополнение к этому, анализ во втором параграфе первой главы опубликованных источников информации показывает, что, практически во всех случаях, при теоретическом описании процессов дисперсионная характеристика среды предполагалась линейной, а спектр сигналов достаточно узким, что формально укладывалось в теоретические критерии.

Это обеспечивало представительность модели на уровне относительной точности измерительных систем порядка 1 (Г6 - 10-7 измеряемых величин.

Однако, появление в последнем десятилетии измерительных средств с повышенной инструментальной чувствительностью (линейные

10 8 интерферометры до 10" , дальномеры 10", спектрометры с разрешением 10" о О космические координирующие системы 10" и т.п.) показывает, что в ряде случаев при работе в атмосфере имеют место систематические расхождения с расчетными величинами, которые не могут быть объяснены известными причинами. Это свидетельствует об уклонении реальных условий от идеализированных моделей и о недостаточности формального соблюдения теоретических критериев и необходимости создания методов обработки сигналов, учитывающих конкретные условия применения ИИС.

В соответствии с принятой методикой решения поставленной проблемы во второй главе диссертации проведено расширение теоретического рассмотрения вопросов распространения сигналов в рамках второго приближения теории дисперсии на случаи наиболее распространенных ИИС. В начале выбрана теоретическая основа принятой методики исследований, которая позволяет, применяя строгий математический аппарат теории функций комплексной переменной, выделить и аналитически исследовать распространение различных электромагнитных квазимонохроматических сигналов, применяемых наиболее широко, особенно в высокоточных измерениях: в геодезической дальнометрии (АМ-сягналы), в метрологии (интерференция), в исследовании потоков (доплеровекая анемометрия), в спектроскопии сверхвысокого разрешения (лазерное сканирование), в радиолокации и лидарных измерениях (импульсные сигналы) и космической навигации и телеметрии (фазоманипулированные сигналы). В двух последних случаях задачи не могли быть решены аналитически до конца, и их полное завершение проведено методами численного моделирования в третьей главе работы. В завершение главы исследованы особенности дисперсионной характеристики атмосферы, которые играют существенную роль в конкретном численном выражении эффектов влияния среды на сигнал. Теоретически получена новая информация об изменении комплексной формы подобных сигналов. Согласно этой информации, в принятом сигнале появляются новые параметры, которые зависят от характеристик среды в большей степени, чем учитываемые в стандартных технологиях. Учет этих параметров при решении задач распространения повысит точность работы широкого класса систем различного назначения как лазерных, так и космических, и позволит повысить чувствительность дистанционного мониторинга параметров среды, как для целей экологии (определение концентрации загрязнений в атмосфере), так и для целей прогноза хода кру пномасштабных природных и техногенных процессов по распределению электронной концентрации в ионосфере.

Математические соотношения доведены до расчетных формул, которые могут быть применены как для совершенствования технологии соответствующих измерений, так и для оценки параметров новых разрабатываемых систем. При этом, в большинстве случаев, возможно проведение дополнительной проверки полученных формул, когда при некоторых предельных значениях параметров новые теоретические соотношения описывают ситуации, относящиеся к традиционным и подробно исследованным ранее.

Третья глава содержит результаты анализа различных сигналов ИИС методом численного моделирования процессов распространения в средах с различными дисперсионными характеристиками. Модельное представление сигналов позволяет наглядно проиллюстрировать деформацию его комплексной формы при распространении в среде с нелинейной дисперсией. Численные эксперименты на моделях дали возможность не только проверить исходные предпосылки для исследований, но и подтвердить теоретические результаты для избранных, наиболее ответственных случаев. Кроме того, методические возможности модельных исследований позволили получить дополнительную информацию об исследуемых явлениях, особенно в тех случаях, когда аналитическое исследование процессов весьма затруднительно или даже вообще невозможно. В силу наглядности модельного представления сигнала и его приближению к реальным физическим условиям распространения, результаты модельных исследований позволяют получить исходную информацию для подготовки и проведения экспериментальных и натурных измерений., а также оценки результатов их проведения. Это обстоятельство имеет особое значение для тех ситуаций, когда требуемая информация не может быть получена аналитическим, расчетным путем.

Четвертая глава диссертации содержит описание технических средств, методики проведения экспериментальных и натурных измерений и их итоговых результатов по основным позициям исследуемых явлений. Измерения проводились на различных экспериментальных и типовых установках, в различных спектральных диапазонах и с различными диспергирующими средами. Учитывая общность физических явлений при протекании исследуемых в данной работе процессов, при анализе результатов принимались в расчет только численные значения параметров сигналов и сред, без акцентов на их конкретную природу. Результаты измерений, в пределах точности их получения, подтверждают теоретические и модельные расчеты, приведенные в предыдущих главах диссертационной работы.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов теоретических, модельных, экспериментальных и натурных исследований, изложенных в данной диссертационной работе по методам обработки и анализа сигналов некоторых ИИС в условиях действия нелинейной частотной дисперсии. Методы применения даны как в виде совершенствования существующих технологических процессов (вычисление поправок к измерениям различного вида в атмосфере), так и в виде проектов систем, (измеритель концентрации примесей повышенной чувствительности, одноволновый измеритель полной электронной концентрации в ионосфере). Предложения, сформулированные в пятой главе, основаны на новых методах определения концентрации компонент среды и являются, по нашему мнению, наиболее эффективным (технически и экономически) использованием на практике результатов проведенных исследований.

Работа была выполнена при поддержке грантов Госкомвуза РФ по программе "Университеты России", основными из которых были "Фундаментальные исследования в технических университетах", "Конверсия - экология и высокие технологии", "Новые физические принципы измерений", "Метрологическое обеспечение высокоточных геодезических измерений", "Современные технические средства и метолы экологического мониторинга", а также гранта Миннауки РФ по программе "Российский лес".

Автор считает своим долгом выразить благодарность коллективам Центра естественнонаучных исследований ИОФ РАН, отдела метрологии Центрального НИИ геодезии, аэросъемки и картографии, Московского аэрогеодезического предприятия, а также Научно-исследовательскому центру "Геодинамика" за представлен ную возможность проведения

• 12 натурных измерений с использованием их экспериментальной базы, метрологических средств и полигонов за помощь в проведении натурных космических измерений.

Автор выражает признательность соавторам, сотрудникам, коллегам кафедры физики Московского государственного университета леса, без благожелательной помощи которых проведение полного цикла работ было бы проблематичным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных теоретических, модельных, экспериментальных и натурных исследований по проблеме повышения точности и надежности информации, полученной по сигналам информационно - измерительных систем (ИИС) при воздействии нелинейной частотной дисперсии на передаваемые сигналы, убедительно свидетельствуют, что процессы деформации комплексной формы сигналов при распространении их в среде с указанными дисперсионными свойствами, значительно отличаются от общепринятого рассмотрения и требуют существенного дополнения методов обработки и анализа сигналов ИИС в отмеченных условиях.

Подавляющее большинство сигналов ИИС и систем управления различного назначения, особенно действующих при измерениях и телеметрии в земной атмосфере, отвечают условиям, при которых на практике могут быть полностью использованы результаты данной диссертационной работы.

Как показывают проведенные исследования, указанные условия приводят к таким изменениям сигналов, которые, с одной стороны, существенно влияют на метрологические характеристики самих сигналов и их необходимо учитывать при проведении высокоточных измерений, а, с другой стороны, образуют новые информационные параметры в теле сигнала, которые чувствительны к изменениям характеристик среды распространения в значительно большей степени, чем регистрируемые в настоящее время. Это может быть использовано для создания новых методов исследования самой среды распространения например, атмосферы) в экологических, прогностических или специальных целях.

В теоретической части работы представлено расширение существующей теории для обеспечения возможности аналитического исследования сигналов, которая существенно зависит от конкретных условий (вида сигнала и дисперсионной зависимости) и в каждом случае являются самостоятельной математической задачей той или иной степени сложности. Это позволило привести в работе наиболее выразительные и практически используемые из них, для которых получены необходимые теоретические соотношения.

Отдельно выделены и рассмотрены сигналы, для которых при существующем уровне математического аппарата, точные аналитические решения получить не представляется возможным. В этих случаях были созданы алгоритмы численных методов обработки и анализа сигналов и основные усилия были сосредоточены на методах компьютерного моделирования, которые позволили получить необходимую и достаточную информацию о процессе распространения подобных сигналов в диспергирующей среде. Получены характеристики изменения формы огибающей и высокочастотного заполнения сигналов, проверены результаты известных решений (зоммерфельдовский и бриллюэновский предвестники, френелевская структура амплитуды вблизи фронтов и т.п.) и оценены новые физические параметры, определяемые характеристиками среды распространения и измерительной аппаратуры.

Особенности применения модельных методов в данной работе заключались в том, что для аналитически решаемых ситуаций модели являлись наглядной иллюстрацией, подтверждающей теоретические положения, и одновременно контролировались на предмет правильности выбранных алгоритмов и их программной реализации. Это позволило для аналитически не представимых решений гарантировать правильную работу программного обеспечения и получить как качественные, так и количественные оценки исследуемых подобных процессов.

Наиболее ответственные и практически значимые выводы проверялись экспериментами и натурными измерениями. Для этой цели были созданы специальная и вспомогательная экспериментальные установки, на которых проведены необходимые работы по обнаружению искомых факторов. Дополнительно в качестве экспериментальной проверки теоретических и модельных выводов были применены типовые измерения, содержащие погрешности, не объяснимые в стандартных технологиях, и скорректированные с позиций подходов, предложенных в данной диссертационной работе.

Проведенные теоретические, модельные, экспериментальные и натурные исследования, кроме импульса дальнейшего саморазвития, позволяют при практическом применении реальных информационно - измерительных систем и систем управления различного назначения выявить особые условия эксплуатации, при которых учет результатов данной работы становится неизбежным. Учитывая общность физических процессов, приводящих к описанным в работе явлениям, в работе исследован преимущественно ряд ситуаций часто встречающихся в оптическом и радиодиапазонах волн, хотя разработанные в диссертации подходы справедливы в более широком диапазоне случаев (акустика, механика, электротехника и т.п.).

Следует заметить, что в каждом случае при возможности получения практически значимого результата, а также при проверке на стандартных технологиях, теоретические и модельные положения доводились до конечной расчетной или инженерной формулы, учитывающей конкретные характеристики используемых технических средств, что обеспечивало адекватность сравнения научных и практических выводов.

На основании материалов, представленных в данной диссертационной работе, можно кратко сформулировать следующие результаты исследований:

1) рассмотрено современное состояние методов обработки и анализа сигналов ИИС, действующих в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии, сформулирована научная проблема исследований по повышению точности и достоверности информации ИИС некоторых классов, показана ее значимость и актуальность;

2) создано теоретическое обоснование новых методов обработки и анализа сигналов ИИС в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии и получены теоретические соотношения для учета степени этого влияния на сигналы различных ИИС;

3) созданы алгоритмы и пакеты программ численных методов обработки и анализа сигналов в отмеченных условиях, включая случаи невозможности аналитического решения проблемы;

4) разработаны рекомендации по повышению точности практических измерений в интерферометрии, анемометрии, дальнометрии, спектроскопии и космическом координировании путем применения новых методов обработки сигналов соответствующих измерительных систем;

5) выявлены новые параметры сигналов ИИС более чувствительные к характеристикам среды, чем известные (амплитуда, поляризация и т.п.) и разработаны методы их анализа, адаптированные к техническим средствам соответствующих ИИС;

6) разработаны и предложены технологии наиболее эффективного практического применения разработанных методов обработки и анализа сигналов ИИС в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии.

Результаты исследований, изложенные в данной диссертационной работе, представлены в научно-технических отчетах по грантам Госкомвуза РФ, основными из которых были "Фундаментальные исследования в технических университетах", "Конверсия, экология и высокие технологии", "Новые физические принципы измерений", "Метрологическое обеспечение высокоточных геодезических измерений", а также гранта Миннауки РФ по программе "Российский лес". Кроме того, результаты включены в итоговый отчет отдельной Международной рабочей группы "Refractive indices of light, infrared and radio waves in the atmosphere" Комиссии МГТС по физическим постоянным. На основе этого отчета XXII Генеральная Ассамблея МГГС приняла специальную резолюцию об интенсификации исследований в указанном направлении. Ответственным исполнителем от России назначен автор данной диссертации.

Работа представляет интерес для зарубежных исследователей Австралии, Англии, Германии ,Испании, Нидерландов, США, Франции, Швейцарии и Японии.

Материалы диссертации докладывались на XVI Генеральной ассамблее IUGG (1975,Франция), на Коллоквиуме рабочей группы 6.7 KAPG (1977,Германия), на 11 и 12 Всесоюзном и межреспубликанском симпозиумах по распространению лазерного излучения (1991,1993),на Международном научно-практическом семинаре "Конверсия"(1992), на Российской научно-технической конференции "Возможности создания и применения космических средств для решения фундаментальных и прикладных задач" (1993), на 5й Российской научно-технической конференции "Оптические и радиоволновые средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды" (1993), на 4й Международной научно-технической конференции "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (1994), на

Международной научно-технической конференции "100-летие начала использования ЭМВ и зарождение радиотехники" (1995), на XXI Генеральной ассамблее IUGG (1995,США), на Европейском симпозиуме "Оптика для мониторинга окружающей среды и безопасности общества" (1995, Германия), на Международной научной конференции по лазерной спектроскопии (1995), на Международном конгрессе и выставке "Экология мегаполиса" (1996), на XII Международном симпозиуме "Молекулярная спектроскопия высокого разрешения" (1996), на Международном конгрессе "Лесные экосистемы и национальные парки" (1996, Югославия), на Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (1996), на Международном симпозиуме "Оптическая наука, техника и инструментальное обеспечение" (1996,США), на Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность больших городов" (1997), на Межгосударственном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск (1997), на Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии"

1997), на XI Всемирном лесном конгрессе (1997,Турция), на IV Международной научно-технической конференции "Спектроскопия ТДЛС"

1998), на Международном симпозиуме "Мониторинг атмосферы и определение химических и биологических загрязнений" (1998, США), на II Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии" (1999), на XXII Генеральной ассамблее IUGG (1999, Англия), на V Международной научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков" (1999), на Международном симпозиуме по GPS "Применение GPS в науках о Земле" (1999, Япония), а также на 6 ведомственных научно-практических семинарах и на 11 научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГУЛ.

Материалы диссертации докладывались на научно-технических советах ИОФРАН, ИЗМИРАН, ИРЭ, МГУ, ЦНИИГАиК и др. научных и производственных организаций.

1. Альперт Я. Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972.

2. Арманд Н. А. и др. Двухволновый светодальномер для высокоточных измерений расстояний. М.: 1986.

3. Арутюнов П.А. Новый взгляд для выражения неопределенности в измерениях. Законодат. и приклад, метрология, 1994, №2, с.29-34.

4. Арутюнов П. А. Применение конечных полей к обработке измерительных сигналов. LII Научная сессия, посвященная дню радио, Тезисы докладов, часть 1, 1997, с.8-9.

5. Ахманов С. А., Дьяков Ю.Е., Чиркин A.C. Введение в статистическую радиофизику и оптику.М.: Наука. 1981. 640 с.

6. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин A.C. Физика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука. 1988.

7. Бахвалов Н. С. Численные методы (анализ, обыкновенные дифференциальные уравнения). М.: Наука, 1973.

8. Богута Н. М., Нога Ю. В., Урядов В. П. Спектральные характеристики КВ-сигналов, рассеянных неоднородностями F-слоя субполярной ионосферы//Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. № 4. С. 678-680.

9. Борн М., Вольф Э. Основы оптики . М.: Наука. 1973.

10. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985.

11. Виноградов В.В., Галкин Ю.С. Распространение амплитудно-моделированной волны в среде со слабой нелинейной дисперсией// Оптика атмосферы и океана. 1994, т.7, N 3,с. 13-15.

12. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979.

13. Волновая диагностика околоземной плазмы. М.: Наука, 1989.

14. Галкин Ю.С., Татевян P.A. Современное состояние определения показателя преломления воздуха при геодезических светодальномерных измерениях. М., ОНТИ ЦНИИГАиК, 1996, 67 с.

15. Галкин Ю.С.,Дубровин C.B. Теория определения малых концентраций веществ методом дифференциальной групповой задержки// Науч.труды МГУЛ, вып. 283, 1995. с .231-238.

16. Галкин Ю.С., Виноградов В.В., Харченко В.Н. Способ определения концентрации компонент среды. Заявка 93-048963/25(049142) G01 v21/62, от 25.10.93, положит.реш. от 12.02.96.

17. Галкин Ю.С., Татевян P.A. Проблема получения новой формулы показателя преломления воздуха для использования в высокоточной дальнометрии,- Геодезия и картография.- 1994,- №9.-С. 11-13.

18. Галкин Ю. С. И др. Влияние нелинейной дисперсионной характеристики ионосферы на частотные свойства радиоимпульсов колоколообразной формы. Международная НТК" 100-летие начала использования радио" Москва, 1995.

19. Галкин Ю. С. И др. Некоторые лазерно-оптические методы анализа белковых суспензий. Научные труды МГУЛ, 1996, Вып. 283, с.

20. Галкин Ю. С. Распространение модулированного сигнала вблизи линии поглощения. Тезисы докл. 11-го Всесоюзного симпозиума, по распространению лазерного излучения в атмосфере. 1991, Томск.

21. Галкин Ю. С. Экспериментальная установка для исследований влияния нелинейной фазы на проходящие сигналы. НТК профессорского и преподавательского состава МГУЛ, 1999.

22. Галкин Ю. С., Дубровин С. В. Экспериментальная установка для определения малых концентраций загрязнений в атмосфере методом дифференциальной групповой задержки. Научные труды МГУЛ, 1996, Вып. 283, с. 238-246.

23. Галкин Ю. С., Захаров Д. 3., Харченко В. Н. Моделирование распространения в ионосфере прямоугольного радиоимпульса с учетом второго приближения дисперсии. Ы1 Научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, 1997.

24. Галкин Ю. С., Трегуб И. В., Харченко В. Н. Дисперсионные искажения фазы импульсных радиосигналов с гладкой огибающей при отражении от параболического ионосферного слоя. Научные труды МГУЛ, 1996, Вып. 288, с.48-57.

25. Галкин Ю. С., Харченко В. Н. Компьютерное моделирование распространения гармонического АМ-сигнала в среде с нелинейной дисперсией. Научные труды МФТИ. "Проблемы дифракции, и распространения волн", 1994, с.

26. Галкин Ю. С., Харченко В. Н. Региональный экологический мониторинг лазерными методами. Научные труды МГУЛ, 1993, вып. 248, с. 18-31.

27. Галкин Ю.С. Лазерные интерференционные измерения в диспергирующей среде IV Симпозиум "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1997

28. Галкин Ю.С. Разработка и исследование методов определения показателя преломления атмосферы. Кандидатская диссертация. ЦНИИГАиК, 1977.

29. Галкин Ю.С. Распространение информационно измерительного сигнала в нелинейно диспергирующей среде // Науч. труды МГУЛ, вып. 258, 1993, с.55-63.

30. Галкин Ю.С. Распространение информационно измерительного сигнала в среде с нелинейной дисперсией. Научные труды МГУЛ, 1993. Вып. 258. С.51-58.

31. Галкин Ю.С. Распространение модулированного сигнала вблизи линии поглощения. XI Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1991, С. 184.

32. Галкин Ю.С. Создание космической сети для глобального мониторинга ионосферы I Всероссийская НТК " Физические проблемы экологии", Москва, 1997.

33. Галкин Ю.С., Татевян P.A. К вопросу о новой формуле показателя преломления воздуха,- Геодезия и картография.- 1995,- № 6.-С. 19-22.

34. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. О реконструкции ионосферы методом радиотомографии.//Науч.-практ. семинар "Конверсия". ЦАГИ. Жуковский, 1992.

35. Галкин Ю.С., Гусев В. Д., Вологдин А. Г. О дисперсионной особенности радиосигнала, распространяющегося в ионосфере. Физическая мысль России, 1995, №2, с. 28-31.

36. Галкин Ю.С., Дубровин C.B., Харченко В.Н. Измерение интегральной плотности компонент планарных газовых потоков большой ширины. 3-я Межгосударственная. НТК " Оптические методы исследования потоков". Москва, 1995, с.35.

37. Галкин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко В.Н. Натурные эксперименты по томографии ионосферы с использованием космической навигационной системы Научные труды МГУЛ, 1998, вып. 282, с. 11-17

38. Галкин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко В.Н. Применение томографии при мониторинге ионосферы для экологических целей Научн. труды МГУЛ, Вып. 283,1996

39. Галкин Ю.С., Ефремов Н.П., Харченко О томографии ионосферы с использованием данных GPS в формате Rinex. Международный

40. Симпозиум "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики". Томск, 1996.

41. Галкин Ю.С., Захаров Д.З. Оптимальная аппроксимация экспериментальных данных на примере дисперсионной формулы воздуха.// Научные труды МГУЛ. 1998. Вып. 282, с. 11-18.

42. Галкин Ю.С., Захаров Д.З., Татевян Р.А.О новой дисперсионной формуле стандартного воздуха для видимого и ближнего ИК спектра// Геодезия и картография. Геодезия и картография, 1997, №11, с. 14-18.

43. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Доплеровские измерения в среде с нелинейной дисперсией докл у ренкевич 1997 IV Всероссийская НТК " Лазерные методы исследования потоков", Москва, 1997

44. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Доплеровские измерения в среде с нелинейной дисперсией // IV Всероссийская НТК "Лазерные методы исследования потоков", Москва, 1997, с.206-208.

45. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. О возможности одноволнового определения ионосферной поправки при измерениях GPS. Геодезия и картография, 1993, № 12, с.24-26.

46. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Определение концентрации компонент потоков методом нелинейной частотной дисперсии. 5-я Международная НТК "Оптические методы исследования потоков", М., 1999, с. 206-208.

47. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Определение концентрации компонент потоков методом нелинейной частотной дисперсии. V международная НТК «Оптические методы исследования потоков», Москва, 1999, с. 206208.

48. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Региональный экологический мониторинг лазерными методами. Научные труды МГУЛ ", 1993, вып. 248, с. 18-31.

49. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Технология бесконтактного лазерного мониторинга экологического качества воздушного бассейна городов.// Коммунальное хозяйство, 1996, № 2, с. 11-15.

50. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Экологические задачи и сетевой спутниковый мониторинг ионосферы Научные труды МГУЛ, 1998, вып. 294(2), с.79-93.

51. Галкин Ю.С., Харченко В.Н. Экологические задачи и сетевой спутноковый мониторинг ионосферы. Научные труды МГУЛ, 1998, вып. 294(2), с.79-93.

52. Генике A.A., Галкин Ю. С. О групповой скорости света. "Геодезия и картогр." 1974, № 10, с. 13-19.

53. Генике A.A.,Галкин Ю.С. О влиянии молекулярных резонансов на точность светодальномерных измерений. Труды ЦНИИГАиК.-1975.-Вып. 207,- С.36-61.

54. Гершман Б.Н. О расплывании электромагнитных импульсов, распространяющихся в ионосфере.// Журнал теоретической физики. 1952. Т. 22. С. 101.

55. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.

56. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖ, 1998.

57. Голубев А.Н., Закройщиков С.Н. Об определении интегрального показателя преломления воздуха при линейных измерениях интерферометрами перемещений// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-1989.-Т З.-С. 3-12.

58. Голубев А. Н., Ханов В. А. Лазерная интерферометрия больших расстояний. М: Недра, 1991.

59. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М.: Изд-во "Наука", 1985, 607 с.

60. Денисенко А.Н., Стеценко O.A. Теоретическая радиотехника. Сигналы. М.: Изд-во стандартов, 1993.

61. Засавицкий И. И., и др. Когерентные нестационарные эффекты при быстрой записи спектра поглощения. Оптика и спектроскопия, 1988, т. 65, вып. 6, с. 1198-1202.

62. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере.М.: Сов. радио. 1970.

63. Иванов В. А. и др. Автоматизированный ЛЧМ-комплекс для ионосферных исследований. Радиотехника, 1991, № 4, с.69-72.

64. Иванов В.А., Колчев A.A., Морозов А.К. и др. Влияние дисперсионных искажений в ионосферном КВ-канале на оптимальную обработку широкополосных сигналов. // Препринт № 64.1, Йошкар-Ола: МарПИ,-1993.

65. Коен М. А. Моделирование ионосферы в прикладных задачах геофизики//Иркутск, 1983.

66. Коломийцов Ю.В.Интерферометры. Л.: Машиностроение. 1976. 295 с.

67. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия.Н.: Наука. 1983 С. 8-52.

68. Кравченко В. И., Соскин М. С. Перестраиваемые твердотельные лазеры с дисперсионными резонаторами. В сб. "Лазеры с перестраиваемой частотой", АН УССР, Ин-т физики, Киев, 1973.

69. Крохин В.В. Информационно-управляющие космические радиолинии. М.: МФТИ, 1993.

70. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. М.: Наука, 1991.

71. Лещинская Т. Ю. Обзор ионосферных моделей, используемых в задачах распространения радиоволн//Распространение декаметровых радиоволн. М.: Наука, 1978. С. 123-139.73