автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Многочастотный радиоинтерферометр космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий

На правах рукописи

С/а

ииг>533443

Хейн Тхура Аунг

МНОГОЧАСТОТНЫИ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТР КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ АКВАТОРИЙ

Специальность 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 СЕН 2013

Москва-2013

005533443

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических приборов Федерального Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет (Московский энергетический институт) (НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БАСКАКОВ Александр Ильич

Официальные оппоненты: КАРТАШЕВ Владимир Герасимович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Основ радиотехники НИУ "МЭИ"

ЕГОРОВ Виктор Валентинович,

кандидат технических наук, ст. научный сотрудник ИКИ РАН

Ведущая организация: ОАО «Концерн радиостроения «Вега»

Защита состоится 24 октября 2013 г. В 15:30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «28 » сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. При этом актуальными являются задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения. Космические системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток.

Теоретические и экспериментальные исследования статистических характеристик радиосигналов, отраженных от морской поверхности (МП), анализ их связи с основными параметрами морского волнения - высотой, наклонами, направлением распространения волн, скорости и направления ветра над поверхностью моря открывают возможности для создания радиотехнических средств измерения этих параметров с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эта информация необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и морях, для океанологических научных исследований, для обеспечения навигации судовождения, для строительства и эксплуатации различных гидротехнических сооружений (буровые вышки, порты и т.п.), для экологического мониторинга и т.д.

Космические средства позволяют регулярно получать океанологическую информацию с огромных территорий и в настоящее время стали важнейшими источниками информации об океане наряду с судовыми и другими контактными исследованиями.

В настоящее время бортовьм прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени волнения МП радиолокационным методом, является прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). Однако, основная задача ПРВ -это уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий и контроля морских течений, а определение высоты морских волн (MB) — вспомогательная задача ПРВ. В связи с этим точность определения степени волнения МП не слишком велика. В известных зарубежных публикациях Ж. Брауна, JI. Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах отечественных авторов А.П. Жуковского, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова, H.A. Важенина и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиосигналы с шириной спектра в сотни МГц и длительностью более 100 мкс, при этом основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма отраженных от МП

сигналов ПРВ. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей МВ с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра, позволяющего получить информацию о характеристиках МВ, а именно высоте МВ, путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП.

Возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ отраженного сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, Л.М. Миллер, А.Е. Башаринов, А.А. Гарнакерьян, А.И. Баскаков и др. Однако, до сих пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем РЛС является вертолет или самолет. С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. В диссертационной работе предложено сузить облучаемую на МП зону за счет на-дирого синтеза апертуры антенны и применения антенной решетки, ориентированной поперек линии пути. Это позволяет подавить декорреляцию в ДЧКФ и добиться высокой чувствительности метода к высоте МВ даже с орбиты ИСЗ. Проведена также оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

Все это делает актуальной выбранную тему для данной диссертационной работы и позволяет сформулировать цель исследований.

Цель Диссертационной работы. На основе теоретического обобщения должна быть решена актуальная научная задача, заключающаяся в исследовании и разработке многочастотного радиоинтерферометра, осуществляющего определение степени волнения МП с борта ИСЗ по взаимной межчастотной корреляционной функции отраженных сигналов. Данная цель в свою очередь ставит ряд вопросов, требующих решения:

1. Обоснованность возможности оценки высоты МВ по ДЧКФ с ИСЗ.

2. Разработка эффективного метода оценки высоты МВ с подавлением декоррелирующего множителя ДЧКФ.

3. Оптимальный выбор рабочих частот и формирование зондирующего сигнала.

4. Оценка потенциальных точностньгх характеристик разработанного метода.

5. Проверка на компьютерной модели разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации. Выполнено компьютерное моделирование с использованием пакета программ МАЛЪАВ. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Использование метода надирного синтезирования апертуры антенны и создание приемной антенной решетки в плоскости перпендикулярной направлению полета ИСЗ для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ.

2. Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки, отраженных от МП радиосигналов.

3. Оценки потенциальной точности измерения высоты МВ в зависимости от выбранных параметров МР, режима облучения и состояния МП.

4. Разработка компьютерной модели проверки метода определения степени волнения МП по взаимной межчастотной корреляционной функции.

Научная новизна результатов работы.

1. Теоретически и на компьютерной модели доказано, что использование надирного синтезирования апертуры антенны и приемной антенной решетки в поперечной плоскости относительно направления полета ИСЗ позволяют существенно подавить паразитную декорреляцию и повысить чувствительность многочастотного радиоинтерферометра к высоте МВ.

2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных разносов рабочих частот, соответствующих возможному диапазону измеряемых высот МВ.

3. Предложено использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией с оптимальным образом выбранным индексом модуляции, позволяющим получить наиболее равномерный спектр из одиннадцати гармоник, вместо многочастотного непрерывного сигнала.

4. Найден оптимальный алгоритм обработки отраженных от МП многочастотных радиосигналов и исследована потенциальная точность измерения высоты МВ по ДЧКФ.

Практическая ценность. 1. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании радиолокационных систем ДЗЗ, а также для оценки их структуры и точностных характеристик при широком диапазоне вариаций исходных данных.

2. Результаты моделирования позволили объяснить структуру оптимального измерителя и последовательность необходимых операций над многочастотным отраженным сигналом.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в академическим учреждении РАН, НИИ и ОКБ, занимающихся разработка радиолокационных систем дистанционной зондировании в радиодиапазоне с космических аппаратов. Результаты работы использованы в качестве дополнительных разделов в курсе лекций "Локационные методы исследования объектов и сред", читаемых на Радиотехническом факультете НИУ МЭИ для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника" - 210400.

Достоверность результатов. Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники и радиолокации, использовании теории синтеза апертуры антенны, апробации на результатах компьютерного моделирования, на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях (НТК), одобренных научной общественностью.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах кафедры радиотехнических приборов НИУ "МЭИ", на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в НИУ (МЭИ) 2009 - 2013 г; на конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (МГТУ МИРЭА, 2011 г); на конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) и на У-ой Всероссийской научной конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (МИ ВлГУ, 2012 г) в городе Муром, Владимирской области.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в научно-технических журналах (4 из списка ВАК), 6 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений на 8 стр., списка цитируемой литературы из 76 наименований и содержит 139 стр. текста, 68 рисунков и 2 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении описывается современное состояние РЛС дистанционного зондирования океана с ИСЗ, обосновывается актуальность исследуемой проблемы, формулируются цели и задачи диссертационной работы. Отмечается ее новизна и

практическая ценность, даются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе подробно рассмотрены известные из литературы результаты оценки высоты МВ по взаимной корреляционной функции отраженных от МП сигналов СВЧ диапазона, разнесенных по частоте. В океанологии доказано, что закон распределения ординат МВ с достаточной степенью точности аппроксимируется гауссовой зависимости. Показана связь между двухчастотным коэффициентом корреляции и среднеквадратичной ординатой МВ в облучаемой области. Величина квадрата модуля коэффициента взаимной корреляции уменьшается с увеличением высоты МВ Н3% или с увеличением значения среднеквадратичных ординат МВ стЛ при фиксированном значении разности частот А/. Однако, до сих пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем является вертолет или самолет. С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. В диссертации предложен и исследован новый метод, посвященный разработке надир-ного многочастотного радиоинтерферометра, позволяющего получить информацию о характеристиках МВ во всем возможном диапазоне балльностей путем вычисления взаимной ДЧКФ сигнала, отраженного от МП. При этом относительная простота и технологичность конструкции МР должны позволить разместить его на малом ИСЗ.

Рис.1. Геометрия облучения парциального элемента на поверхности

г.

Во второй главе разработан новый алгоритм пространственно-временной обработки отраженного сигнала, включающий надирный синтез апертуры антенны многочастотного радиоинтерферометра и использование приемной антенной решетки в плоскости перпендикулярной направлению полета ИСЗ. Это позволяет исключить влияние декоррелирующего множителя на ДЧКФ и повысить чувствительности коэффициента корреляции к высоте МВ.

Реальные земную и водную поверхности часто невозможно задать в виде реализаций непрерывного случайного процесса. На практике широко используется феноменологическая модель поверхности в виде ансамбля отдельных независимых (парциальных) отражателей. Сущность метода феноменологического моделирования сводится обычно к математическому заданию отраженного сигнала в виде совокупности большого количества парциальных сигналов с введением ряда статистических параметров, характеризующих физические свойства шероховатой поверхности. Парциальные сигналы от отражателей на направлениях, отличных от надира дадут комплексный спектр сигнала (1).

5,'(/<а)= А, ехр

,4гг

Я + + й соб/? 2#

•ехр

{и к - ар2

4(^1 +]Ьх)

ехр

ЭКв 7

, О)

где Н - высота полета КА, ХК и юк- соответственно длина волны и центральная

частота спектра зондирующего сигнала под номером к, а =

У

2Я24в1

щ =а,

Ъ =

2 я-Ж2 ^ 2 п-Ж2 2 л-Ж2

Н-Х,

•ч

ЛпХ,

04

Лк^Н2+у2

1 + -

я

&эт 1

4'Д^ Й1 _

' ^«2—„„ 2 Л , П, лй?.

5,5^ +А01

- эквивалентные ДН, учитывающие

5,54 (1+^)+Д^

ДНА и ДОР МП, Авх - ширина ДНА вдоль оси X (вдоль), ДНА вдоль оси ОУ (поперек) отличается в к1=Ав2х/Ав2г раз, 4 - коэффициент шероховатости поверхности.

Частотная характеристика согласованного фильтра приемника РЛС должна быть комплексно-сопряженной со спектром сигнала:

к{]а) = Кя ехр

(а>,-со)2 ,{<оК-о>)

4 йг + -

(?)

Тогда выходной парциальный сигнал после обработки в ПРМ:

0/(0 = ;г" 0«>)-к0а)-в^с1а, ¿я

0,(0=4* о-

Я1 +

Г е..

г ехр

V @синт)

2Н 2&2

х ехр

Г 9.

ЭКв\

*синт )

ЦГ 2/2

1 +

Г 9.

эхе,

гн2в2

ехр

Г 9.

ЭКв!

-у-

2 2 л^2г2

1+

^ 9синт

хехр

.1 ( / Ал

- ]-агсЩ ■ехр

2 а 4 ч _ яД

2 Н

2 „4 нк

где Л,- - 2/ЬЛ ^^ -Д=- , сг,- — среднее по множеству значение ЭПР 1-го парци-(4яг) Л

ального элемента, вС1

К

2 с1.

эфф

- пгарина ДН синтезированной антенны, ¿эфф -

эффективная длина синтезированной антенны (фокусированная апертура), Ж -скорость движения носителя.

Определим взаимную двухчастотную корреляционную функцию отраженг ных от МП сигналов, осуществив усреднение по облучаемой области и по ансамблю флуктуаций:

йхи2={А0К0)2\\ыр X у

н2в2

зквг

ехр

2-т}2 + —

1+

( л

^ехр

Жв1

а

V асинт

Ч

1 +

( в„

Уэщ Г]

,4 Н2-в2

экв1

-у-

1+

( а \

ЭКвц

2 Ак-1У2,2

2 „4 Я

V 9стт у

(4)

хехр

-ум

2Н + —

Н

у

ехр(/-2л-А/•;)• ехр(-у2• Дк-Исое

где Д/ = /1 -/2, = А0 = 12Р°Л Д'О 1 д. -удельная ЭПР поверхно-с ^ (4я-)3 Н

сти. После усреднения определим взаимную межчастотную корреляционную

функцию и найдем коэффициент корреляции:

С/,

Окончательное выражение для коэффициента корреляции равно: р(рк) = ехр(- 2 • Ак:2 ■ )• ехр(- ] ■ 2 ■ Ак • Н) • ехр(/ • 2 • л ■ Д/ • г) х 1

+ ¡-ык-н-е2

Ч)

(6)

1 + -

где - фаза взаимного межчастотного коэффициента корреляции, <тн - среднеквадратичные ординаты МВ.

С учетом шума приемника:

^.ехр(-2.Д*Ч2)

V ЭКв2

Ак.Н.в2

в

1 +

жвх

где д - отношение сигнал/шум.

На рис. 2 показаны зависимости межчастотного коэффициента корреляции при надирном синтезе апертуры антенны многочастотного радиоинтерферометра и использовании либо одиночной антенны, либо приемной антенной решетки.

0.8 0.6

\рЫ оа 0.2

Для а нтенной ве шетки: М- 3,а=55см,с а=50см

Лая патбшиэескай. \

1а=50ом

Рис. 2 . Зависимости модуля коэффициента корреляции от и^ при высоте Н = 400 км, разносе рабочих частот А/= 12 МГц, Я = 0,86см, диаметр антенн с1а = 50 см, количество элементов решетки М = 3, расстояние между антеннами (1 = 55 см, д = 10.

о

1 2 3 4 5

егА|>]

В главе 2 определена также взаимная корреляционная функция в режиме

нефокусированного синтезирования апертуры антенны.

В третьей главе проведен оптимальный выбор рабочих частот и формирование зондирующего сигнала. Разнос частот в зондирующим сигнале выбираем исходя из максимальной чувствительности коэффициента корреляции к высоте МВ во всем возможном диапазоне МВ. В главе проведена зависимость оценки среднеквадратичных ординат МВ от разноса частот, при котором реализуется максимальная чувствительность радиоинтерферометра при выбранных значениях разностей излучаемых частот, рис 3. В главе показано, что для получения одинаковой чувстйительности метода к высоте МВ во всем возможном диапазоне МВ необходимо использовать не две, а не менее 5-х излучаемых частот. Рекомендуемые значения разностей частот А/ - 60;24;12;6 МГц - соответствуют заданному диапазону измеряемых высот МВ от штиля до шторма.

Для упрощения технической реализации многочастотного сигнала в работе предложен и сформирован зондирующий сигнал с гармонической частотной модуляции и соответствующим образом выбранным индексом модуляции т = 4.5 (рис.4), позволяющим получить спектр из одиннадцати гармоник, отличающихся минимальным разбросом амплитуд.

йПМГц]

Рис. 3. Зависимость оптимального разноса частот Д/ от среднеквадратичных ординат морских волн сг/,

б МГц >

И_- Ь—1

35,964 35,976 35,!

36

36,012 36,024 36,036

f[ГГц]

Рис. 4. Спектральная диаграмма сигнала с угловой модуляций при т = 4,5 (пунктиром показана используемая часть спектра)

Разница в амплитудах отраженных сигналов на разных гармониках может

быть легко компенсирования в приемнике радиоинтерферометра выбором соответствующих весовых коэффициентов при расфильтровке гармоник.

В четвертой главе получен оптимальный алгоритм оценки среднеквадратичных ординат МВ <тл по критерию максимального правдоподобия, который показал необходимость учета как амплитудных так и фазовых значений взаимных коэффициентов межчастотной корреляции.

Каждый обрабатываемый отсчет состоит из пары комплексных амплитуд обработанных отраженных сигналов совместно с аддитивным шумом приемного устройства и записывается в виде двумерного вектора (для двух частот):

и =

и

и

1 п

2 п

, п = \,Ы.

(8)

где Ы- число накапливаемых независимых реализаций на двух частотах. Полный вектор и размерностью содержит N пар сигналов, упорядоченных следующим образом:

и

Т— I

ип,и21......и1п,и2п,.....ити2Ы\\. (9)

Вследствие независимости последовательных отсчетов ковариационная матрица данной выборки имеет блочно-диагональную структуру:

к=—ии=—. 2 2

X иц,и21,и12,и22...и1АГ,и2

ии ¿л

и»

и22

и,*

Комплексная форма А^-мерного нормального распределения в матричной записи имеет следующий вид:

\У(и,<тА) =

1

ехр

1 *

--ик_1и

2

(П)

Оптимальный алгоритм оценки среднеквадратичных ординат МВ сгА по критерию максимального правдоподобия сводится к решению уравнения:

-I,

= 1пКГ(и,сгй) =0.

ЭсгА [

Окончательно получаем:

Эоч

Рп

1 Ц^и

л ' п ' п /

1

2 •

(12)

(13)

где - фаза взаимного межчастотного коэффициента корреляции, Лр„ - разность фаз соседних частот. Таким образом, нахождение оптимальной оценки па-

раметра

~ & и 0р1 сводится к решению уравнения Р(о^=0. Для оценки потенциальной точности метода необходимо определить след произведения производных от сопряженной и обратной матриц (10):

<г? = , 1_,

(14)

-Бр

а к ж-

<1он ¿о,

\ у

Получены и проанализированы потенциальные точностные характеристики измерения высоты МВ по синтезированному алгоритму с учетом собственных шумов ПРМ, рис. 5 и рис. 6. Окончательное выражение для потенциальной точности оценки среднеквадратических ординат МВ имеет вид:

\2

<4 =

4• Ак2 • стА • р{ст„)•^2-Лг-(1+р\а„)) '

(15)

Результаты расчетов подтвердили, что для достижения указанной точности необходим синтез апертуры антенны, позволяющий сузить ДНА по продольной координате вдоль линии пути. В поперечном направлении размер облучаемой на МП области можно сузить созданием приемной антенной решетки в плоскости перпендикулярной направлению полета.

При большей разности частот А/ лучшая потенциальная точность достигается при малом волнении моря, а при уменьшении А/ лучшая точность к высоте МВ достигается на большом волнении МП. В работе показано, что может быть получена точность оценки ординат МВ не хуже 0,1м для слабого и среднего волнения, а для сильного волнения не хуже 0,3м, см. рис. 5. Небольшие требуемые габариты антенной системы и простота алгоритма обработки позволяют использовать данный радиолокатор на малом КА.

|И

Рис. 5. Потенциальная точность оценки среднеквадратических ординат МВ при различной степени волнения МП #=400км, А=0,0086м, 4=0,5м, 1^=7,5км/с, д=10, &/=6, 12,24,60 МГц, N=128; М = 3, с1=0,55м, к:=6

и М

Рис. 6. Потенциальная точность оценки среднеквадратических ординат МВ при выбранных оптимальных разностях частот для высот орбит КА #=400км и 800км, А=0,86см, отношение с/ш -д=10; N=128, М = 3, й„=0,5м, 4=0,55м, Ъ=6

ак[м]

В пятой главе проводится разработка компьютерной модели с использованием пакета программ МАТЬАВ для проверки метода определения степени волнения МП по взаимной межчастотной корреляционной функции. На основе исходных данных, относящихся к МП, для формирования радиолокационного рельефа происходит моделирование МП согласно феноменологической модели, описанной в первой главе.

Согласно этой модели отражающая поверхность моделируется в виде совокупности независимых элементарных отражателей - "блестящих точек", находящихся на расстоянии интервала корреляции поверхности (4 ) друг от друга, рис.7. Ординаты к(х,у) отражателей относительно среднего уровня распределены по нормальному закону. Число отражателей, участвующих в формировании эхо-сигнала, определяется размерами облучаемого пятна на МП (г - радиус пятна), при определении ширины ДНА на уровне -12,5 дБ, и величиной 4; где п*и пу-

это число парциальных отражателей по осям х и у соответственно. Нумерация отражателей осуществляется так, как показано на рис.7.

После определения числа отражателей, формируется выборка ординат МВ, | а именно: для каждого парциального отражателя с номером (г, ]) и соответствующими координатами х1 и У] определяется его ордината относительно среднего уровня МП - йу в соответствии с нормальным законом распределения.

В диссертации разработана структурная схема компьютерной модели (рис.8) алгоритма измерения степени волнения МП по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала.

блок обработки сигналов (синтез апертуры)

иф (А)

Блок формирования межчастотного коэффициента корреляции и его фазы

Рис. 8. Структурная схема компьютерного моделирования многочастотного радиоинтерферометра космического базирования для оценки состояния МП (Ыс - число отсчетов на интервале синтезирования, N3 - количество реализаций осреднения по времени "замороженности" МП

Результаты моделирования подтвердили основные теоретические закономерности метода измерения, рис.9.

Рис. 9. Сравнение результатов моделирования с теорией при Я=400км, А=0,0086м, 4=0,7м, Ш=1,5км/с, 4/Ц5, 12,24, 60 МГц, к{=6, М=3, /г=5м,

!

размер моделируемой площадки соответствует определению ширины ДНА на уровне-12,5 дБ

_Теория (решетка)

-Теория (одна антенна)

-о - -о ■ Результаты модели ак[м] ^ ^ >

Результаты моделирования позволили также объяснить структуру оптимального измерителя и последовательность необходимых операций над много-

частотным отраженным сигналом. С качестве примера на рис.10, для высоты орбиты КА 400 км показаны доверительные интервалы определенные с вероятностью 0,95.

Рис. 10. Результаты моделирования при Н=400 км, Х=0,0086м, с!а=0,7м, \У=7,5км/с, А, =6, Д£=б, 12, 24, 60 МГц, М=3, 1г=5м, доверительные интервалы определенные с вероятностью 0,95

И

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации подробно рассмотрены известные из литературы результаты реализации РИ, работающего в надир и используемого для оценки высоты МВ по взаимной двухчастотной корреляционной функции отраженных от МП сигналов СВЧ диапазона. Однако, до сих пор этот способ применялся только для относительно небольшой высоты полета на авиационных носителях. Для космического базирования с ростом высоты облучения поверхности значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает.

2. С целью подавления декоррелирующего множителя, предлагается сузить облучаемую на МП область: по линии пути за счет синтеза апертуры антенны, а в поперечном направлением за счет использования антенной решетки. В диссертации разработан соответствующий алгоритм обработки отраженного сигнала.

3. Увеличение числа элементов решетки приводит к сужению ДНА и соответственно к увеличению абсолютного значения модуля коэффициента корреляции. Но при увеличении числа элементов М более 3, характеристики измерения улучшаются незначительно. Следовательно, не имеет смысла создавать громоздкую конструкцию антенной системы на борту космического аппарата, поэтому предпочтительней выбирать небольшое количество элементов решетки (М =3).

4. Показано, что двух излучаемых частот недостаточно. При большей разно-

сти излучаемых частот имеется лучшая чувствительность к степени волнения МП при слабом волнении моря, а при уменьшении М лучшая чувствительность к высоте МВ достигается при большом волнении МП.

5. В работе исследована зависимость оценки среднеквадратичных ординат МВ от разноса излучаемых частот, при котором реализуется максимальная чувствительность коэффициента корреляции к высоте МВ. Показано, что для получения одинаковой чувствительности метода к высоте МВ во всем возможном диапазоне морского волнения необходимо использовать не менее пяти излучаемых частот. Разработаны рекомендации по оптимальному выбору разносов рабочих частот.

6. Для упрощения технической реализации многочастотного сигнала в работе предложено сформировать зондирующий сигнал с гармонической частотной модуляции и соответствующим образом выбранным индексом модуляции т = 4,5, позволяющим получить наиболее равномерный спектр из одиннадцати гармоник.

7. Избыточность спектра зондирующего сигнала может быть использована для одновременной реализации на базе космического многочастотного радиоинтерферометра высокоточного фазового радиовысотомера. Часть гармоник спектра сигнала при этом пойдёт на раскрытие неоднозначности высокоточных измерений высоты над средним уровнем МП.

8. По критерию максимального правдоподобия синтезирован оптимальный алгоритм измерения степени волнения МП, который показал необходимость учета как амплитудных, так и фазовых значений взаимных коэффициентов корреляции.

9. Результаты расчетов показывают, что может быть реализована потенциальная точность оценки среднеквадратических ординат МВ не хуже 0,1м для слабого и среднего волнения, а для сильного не хуже 0,3м.

10. В диссертации проведено компьютерное моделирование, подтвердившее основные теоретические закономерности метода.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК России:

1. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А. И. Разработка компьютерной модели поверхности акваторий с борта ИСЗ. Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №3,2011. - С.43-49.

2. Хейн Тхура Аунг, А.И. Баскаков. Потенциальные точностные ха-

рактеристики многочастотного космического радиоинтерферометра для оценки состояния поверхности океана. Вестник МЭИ № 5,2012. - С. 85-91.

3. Хейн Тхура Аунг, А.И. Баскаков. Разработка компьютерной модели многочастотного радиоинтерферометра космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий. Вестник МЭИ № 1, 2012. - С. 107113.

4. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А. И. Оптимальный выбор рабочих частот космического многочастотного радиоинтерферометра для исследования океана. http://www.mai.ru.Tpvjbi МАИ. Вып.57.2012. (электронный журнал)

Другие статьи и материалы конференций:

5. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Реализация высокоточного космического многочастотного радиовысотомера с фазовым методом измерения над морской поверхностью. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 3-х т. Т. 1.- М.: Издательский дом МЭИ, 2011.- 122 с.

6. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А. И. Использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией в многочастотным радиоинтерферометре для анализа состояния поверхности акваторий. Радиотехнические тетради № 44, 2011. - С. 3944.

7. Хейн Тхура Аунг. Многочастотный радиоинтерферометр космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Материалы Международной на-

чно - технической конференции « INTERMATIC - 20011» ,14-17 ноября 2011 ., Москва./ Под ред. Чл. -корр. РАН A.C. Сигова. - М.: МГТУ МИРЭА - ИРЭ АН, 2011, часть 3. - 254 с.

8. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Оценка потенциальной точности измере-хя морских волн по взаимной корреляционной функции. // Радиоэлектроника, элек-отехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и

спирантов: Тез. Докл. В 4-х т. Т. 1,- М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 318 с.

9. Хейн Тхура Аунг. Проблемы оптимального выбора рабочих частот осмического многочастотного радиоинтерферометра для исследования океана. //

осковская молодежная научно-практическа конференция «Инновации в авиа-

ции и космонавтике - 2012». 17 - 20 апреля 2012 года. Москва. Сборник тезисов докладов. -М.: ООО «Принт-салон». - 135 с.

10. Хейн Тхура Аунг. Потенциальные точностные характеристики многочастотного радиоинтерферометра малого космического аппарата. // II Всероссийские Армандовские чтения «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред». МИ ВлГУ, Муром, труды конференции, июнь, 2012. http://www.mivlgu.ru/con£'armand2012Zpdf7S2_19.pdf.

11. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Разработка компьютерной модели проверки алгоритма определения степени волнения морской поверхности космическим многочастотным интерферометром. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. Докл. В 4-х т. Т. 1- М.: Издательский дом МЭИ, 2013, -126 с.

Подписано в печать 0&'09>&!)Ш Печ.л. 1Лд" Тираж /00 Заказ МО Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

На правах рукописи

04201361743

Хейн Тхура Аунг

МНОГОЧАСТОТНЫЙ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТР КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ АКВАТОРИЙ

Специальность 05.12Л4 -Радиолокация и радионавигация

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор А.И. Баскаков

Москва-2013

ш.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

1. Обзор проблемы оценки состояния поверхности акваторий по взаимной корреляционной функции....................................................................10

1.1. Взаимная корреляционная функция радиосигналов, рассеянных от морской поверхности, разнесенных по частоте........................................................11

1.2. Измерение высоты морских волн по коэффициенту взаимной корреляции эхо-сигналов, разнесенных по частоте в СВЧ диапазоне.....................................19

1.3. Измеряемые характеристики морского волнения и феноменологическая

модель эхо-сигнала......................................................................................21

1.5. Выводы по главе 1 ...............................................................................27

2. Оценка среднеквадратичных ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции при синтезировании апертуры

антенны и использовании антенной решетки............................................29

2.1. Взаимная корреляционная функция эхо-сигналов на двух частотах при фокусированном режиме синтезирования апертуры антенны............................29

2.2. Взаимная корреляционная функция эхо-сигналов на двух частотах при нефокусированном режиме синтезирования апертуры антенны.........................38

2.3. Взаимная межчастотная корреляционная функция при надирном синтезе апертуры антенны и использовании антенной решетки ........................................45

2.4. Выводы по главе 2........................................................................63

3. Оптимальный выбор рабочих частот и формирование зондирующего сигнала..........................................................................................................................65

3.1. Выбор значения разностей частот, соответствующих заданному диапазону измеряемых высот морских волн.............................................................65

3.2. Формирование зондирующего сигнала с угловой модуляцией.......................69

3.3. Выводы по главе 3 .............................................................................74

4. Оценка потенциальной точности измерения высоты морских волн по взаимной корреляционной функции.....................................................................75

4.1 Оценка степени волнения морской поверхности по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала с учетом собственных шумов приемного устройства........................................................................75

4.2. Оценка потенциальной точности измерения степени волнения

морской поверхности по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала.................................................................................................77

4.3. Синтез алгоритма оптимального измерения степени волнения МП по двухчастотному коэффициенту корреляции эхо-сигнала...................................88

4.4. Выводы по главе 4........................................................................91

5. Разработка компьютерной модели оценки степени волнения морской

поверхности по взаимной корреляционной функции........................................93

5.1. Структура и описание модели..........................................................................93

5.2. Блок формирования радиолокационного рельефа............................................95

5.3. Блок формирования траекторного сигнала .......................................................98

5.4. Блок формирования опорной функции............................................................ 102

5.5. Блок обработки сигналов............................................................................103

5.6. Блок формирования межчастотной корреляционной функций и его фазы ..107

5.7. Блок формирования оценки состояния МП.....................................................110

5.7. Сопоставление результатов моделирования с теоретическими расчетами... 113

5.8. Выводы по главе 5.......................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................118

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ

131

ВВЕДЕНИЕ

Задачи по освоению ресурсов Земли и Мирового океана требуют разработки принципиально новых средств и методов исследования [1]. В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. При этом актуальными являются задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения (МВ). Космические системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток.

Теоретические и экспериментальные исследования статистических характеристик радиосигналов, рассеянных от морской поверхности (МП), анализ их связи с основными параметрами МВ - высотой, наклонами, направлением распространения волн, скорости и направления ветра над поверхностью моря открывают возможности для создания радиотехнических средств измерения этих параметров с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эта информация необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и морях, для океанологических научных исследований, обеспечения навигации судовождения, строительства и эксплуатации различных гидротехнических сооружений (буровые вышки, порты и т.п.), экологического мониторинга и т.д.

Космические средства позволяют регулярно получать океанологическую информацию с огромных территорий и в настоящее время стали важнейшими источниками информации об океане наряду с судовыми и другими контактными исследованиями.

В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени волнения МП радиолокационным методом, является прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). Однако, основная задача ПРВ -это уточнение формы морского геоида, картирование гравитационных аномалий и контроля морских течений, а опре-

деление высоты MB - вспомогательная задача ПРВ. В связи с этим точность определения степени волнения МП не слишком велика.

Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ "Skylab", "Geos-C", "Seasat", "Topex-Poseidon", "Jasion" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений [2 - 6]. В известных зарубежных публикациях Ж. Брауна, JL Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах российских авторов А.П. Жуковского, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова, H.A. Важенина и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиосигналы с шириной спектра в сотни МГц и длительностью более 100 мкс, при этом основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма рассеянных от МП сигналов ПРВ [7 - 18]. Тактико-технические характеристики существующих и перспективных ПРВ даны в [4] таблица 1. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей морского волнения с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра (МРИ), позволяющего получить информацию о характеристиках MB, а именно высоте MB путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП.

Возможность оценки высоты MB по ДЧКФ эхо-сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, JIM. Миллер, А.Е. Башаринов, A.A. Гарнакерьян, А.И. Баскаков и др. Однако, до сих пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем PJIC является вертолет или самолет [19-25]. С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области и при этом чувствительность ДЧКФ к высоте MB резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты MB по ДЧКФ с борта ИСЗ стано-

вится невозможным. Другими словами, с ростом высоты облучения при фиксированной ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) возрастают размеры облучаемой на МП области и, соответственно, растет разброс разностей набега фаз на двух частотах от одних и тех же парциальных отражателей, находящихся в облучаемом на МП области. Это и вызывает декорреляцию ДЧКФ, которая маскирует полезную декорреляцию из-за волнения моря. В диссертации показано, что для получения одинаковой чувствительности метода к высоте МВ во всем возможном диапазоне морского волнения необходимо использовать не две, а не менее 6-ти излучаемых частот и предложен способ их оптимального выбора [26 - 32]. Поэтому радиоинтерферометр назван многочастотным. Но такой многочастотный сигнал сложен в реализации. Поэтому предложено и разработано использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией с оптимальным образом выбранным индексом модуляции, позволяющим получить спектр из одиннадцати гармоник, вместо многочастотного непрерывного сигнала [26]. Предложена и проверена компьютерная модель разработанного метода [33 -35].

Все это делает актуальной выбранную тему для данной диссертационной работы и позволяет сформулировать цель исследований.

Цель диссертационной работы. На основе теоретического обобщения должна быть решена актуальная научная задача, заключающаяся в исследовании и разработке многочастотного радиоинтерферометра, осуществляющего определение степени волнения МП с борта ИСЗ по взаимной межчастотной корреляционной функции эхо-сигналов. Данная цель в свою очередь ставит ряд вопросов, требующих решения:

1. Обоснованность возможности оценки высоты МВ по ДЧКФ с ИСЗ.

2. Разработка эффективного метода оценки высоты МВ с подавлением декорре-лирующего множителя ДЧКФ.

3. Оптимальный выбор рабочих частот и формирование зондирующего сигнала.

4. Оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

5. Проверка на компьютерной модели разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации. Выполнено компьютерное моделирование с использованием пакета программ МАТЬАВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Использование метода надирного синтезирования апертуры антенны и создание приемной антенной решетки в плоскости перпендикулярной направлению полета ИСЗ для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ.

2. Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки, рассеянных от МП радиосигналов.

3. Оценки потенциальной точности измерения высоты МВ в зависимости от выбранных параметров МР, режима облучения и состояния МП.

4. Разработка компьютерной модели проверки метода определения степени волнения МП по взаимной межчастотной корреляционной функции.

Научная новизна результатов работы.

1. Теоретически и на компьютерной модели доказано, что использование надирного синтезирования апертуры антенны и приемной антенной решетки в поперечной плоскости относительно направления полета ИСЗ позволяют существенно подавить паразитную декорреляцию и повысить чувствительность многочастотного радиоинтерферометра к высоте МВ.

2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных разносов рабочих частот, соответствующих возможному диапазону измеряемых высот МВ.

3. Предложено использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией с оптимальным образом выбранным индексом модуляции, позволяющим получить наиболее равномерный спектр из одиннадцати гармоник, вместо многочастотного непрерывного сигнала.

4. Найден оптимальный алгоритм обработки рассеянных от МП многочастотных радиосигналов и исследована потенциальная точность измерения высоты МВ по ДЧКФ.

Практическая ценность.

1. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании радиолокационных систем ДЗЗ, а также для оценки их структуры и точностных характеристик при широком диапазоне вариаций исходных данных.

2. Результаты моделирования позволили объяснить структуру оптимального измерителя и последовательность необходимых операций над многочастотным отраженным сигналом.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в академическим учреждении РАН, НИИ и ОКБ, занимающихся разработка радиолокационных систем дистанционной зондировании в радиодиапазоне с космических аппаратов. Результаты работы использованы в качестве дополнительных разделов в курсе лекций "Локационные методы исследования объектов и сред", читаемых на Радиотехническом факультете НИУ МЭИ для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника" — 210400.

Достоверность результатов. Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники и радиолокации, использовании теории синтеза апертуры антенны, апробации на результатах компьютерного моделирования, на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях (НТК), одобренных научной общественностью.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах кафедры радиотехнических приборов НИУ "МЭИ", на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в НИУ (МЭИ) 2009 - 2013 г; на третьей Всероссийской научно-технической школе - конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (МГТУ МИРЭА, 2011 г); на Московской молодежной научно - практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) и на У-ой Всероссийской научной конференции "Ра-

диофизические методы в дистанционном зондировании сред" (МИ ВлГУ, 2012 г) в городе Муром, Владимирской области.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в научно-технических журналах (4 из списка ВАК), 6 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений на 8 стр., списка цитируемой литературы из 76 наименований и содержит 139 стр. текста, 68 рисунков и 2 таблицы.

1. ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ АКВАТОРИЙ ПО ДВУХЧАСТОТНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ

В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени волнения МП радиолокационным методом являются прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ) [2-9]. ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по МП, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты МВ, и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня МП. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ [2-9]. Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ "8ку1аЬ", "СеоБ-С", "ЗеаэаГ, "Торех-Розе1с1оп", "Дазюп" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений. Однако, основная задача ПРВ - оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты МВ в этих приборах является вспомогательной задачей. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей МВ с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра, позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: высоте МВ путем вычисления взаимной ДЧКФ сигнала, отраженного от МП. Возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ эхо-сигнала хорошо известна. Однако, до сих

пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем является вертолет или самолет [20 - 24].

С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение де-коррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по