Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ

Терехов, Владимир Алексеевич

Радиолокация и радионавигация

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ

кандидата технических наук: Терехов, Владимир Алексеевич
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.12.14

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ»

Автореферат диссертации по теме "Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ"

На правах рукописи

484/¿и э ^

Терехов Владимир Алексеевич

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ВЗВОЛНОВАННОСТИ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ С БОРТА ИСЗ

Специальность 05.12.14- Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Москва-2011

4847205

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БАСКАКОВ Александр Ильич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

ПЕРМЯКОВ Валерий Александрович

кандидат технических наук, ст. научный сотрудник МОМСИК Виталий Петрович

Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН,

г. Москва (отдел экспериментальной космической океанологии)

Защита состоится 2 июня 2011г., в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 Московского Энергетического Института (Технического университета) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан апреля 2011г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.157.05 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 с ИСЗ. Информация о состоянии МП, скорости и направлении ветра над ней, степени взволнованности 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. Развитие спутниковой океанологии дополнительно стимулируется вынужденным сокращением и удорожанием эксплуатации исследовательского флота России. В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени взволнованности МП радиолокационным методом являются прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). 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 морских волн (MB), 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. 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. В известных зарубежных публикациях Д. Баррика, Ж. Брауна, JI. Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах отечественных авторов А.П. Жуковского, H.A. Важенина, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиосигналы с наносекундной разрешающей способностью, а основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма отраженных от МП сигналов ПРВ. Однако, проблема синтеза опти-

мальных алгоритмов оценки высоты MB в океанографических ПРВ и анализа потенциальной точности измерений высоты MB данным методом практически не освещены в отечественной и зарубежной печати, если не считать нескольких статей, содержащих общие сведения рекламного характера. В указанных современных ПРВ информация о состоянии взволнованности МП извлекается из вторичной, наземной обработки. Автором предложен и экспериментально проверен метод измерения высоты MB в облучаемой области по форме фронта отраженного от МП (информационного) сигнала при обработке, как во временной, так и в частотной области в реальном времени на борту ИСЗ. Однако, основная задача ПРВ - оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты MB в этих приборах является вспомогательной задачей. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей MB с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра-скаттерометра (MPC), позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: а) высоте MB путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП; б) крутизне MB путем оценки ширины до-плеровского спектра (ШДС) и мощности отраженного сигнала, связанной с удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) поверхности и скоростью поверхностного ветра. Возможность оценки высоты MB по ДЧКФ отраженного сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, ДМ. Миллер, A.A. Калинкевич, A.A. Гарнакерьян, А.И. Баскаков и др. 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 MB резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты MB по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. Важной задачей является также необходимость совмещения измерителя высоты MB с надирным скаттерометром - измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ШДС эхо-сигнала. При этом относительная простота и технологичность конструкции MPC должны позволить разместить его на малом

ИСЗ. 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 методов определения степени взволнованности морской поверхности радиолокационными средствами с борта ИСЗ. Данная цель в свою очередь ставит ряд вопросов, требующих решения.

- В направлении создания океанографического ПРВ:

1. Анализ поведения формы информационного сигнала ПРВ в широком диапазоне вариаций исходных данных, связанных с режимом облучения и состоянием МП.

2. Обоснованность метода измерения и анализ его точностных характеристик.

3. Выбор оптимальных параметров ПРВ для получения потенциальных точностных характеристик системы к высоте MB.

- В направлении создания надирного MPC:

1. Обоснованность возможности оценки высота морских волн по ДЧКФ с ИСЗ.

2. Разработка эффективного метода оценки высоты MB с подавлением декоррели-рующего множителя ДЧКФ.

3. Разработка структуры измерителя высоты MB, а также возможность совмещения его с надирным радиоскаттерометром.

4. Оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации и радиовысо-тометрии. Экспериментальные исследования выполнены методами физического и компьютерного моделирования, а также в реальных эксплуатационных условиях. Основные положения, выносимые на защиту:

- В направлении создания океанографического ПРВ: 1) Анализ информационных сигналов при широкой вариации исходных данных, связанных с режимом облучения, параметрами радиовысотомера и степенью взволнованности МП. 2) Разработка метода определения высоты MB по форме фронта информационного сигнала для работы в реальном времени. 3) Анализ зависимости потенциальных точностных характеристик ПРВ при вариации исходных данных.

- В направлении создания надирного MPC: 1) Использование метода на-дирного синтезирования апертуры антенны и создание интерферометрической приемной антенны в плоскости, перпендикулярной направлению полета, для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ. 2) Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки радиосигналов, отраженных от МП. 3) Оценки потенциальной точности измерения высоты MB в зависимости от выбранных параметров MPC, режима облучения и состояния МП. 4) Анализ возможности одновременной оценки не только высоты MB, но и дисперсии наклонов MB, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности.

Научная новизна результатов работы. 1. Разработан и экспериментально проверен новый метод определения высоты MB по форме фронта информационного сигнала ПРВ. 2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров ПРВ с оценкой потенциальной точности на основе анализа статистических характеристик отраженных сигналов при широкой вариации исходных данных. 3.Предложена и проверена на компьютерной модели возможность оценки высоты MB по ДЧКФ с космической орбиты с использованием метода нетрадиционного надирного синтезирования апертуры антенны и созданием интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета для исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧКФ. 4. Синтезирован алгоритм оптимальной обработки отраженных от МП радиосигналов и дана оценка потенциальной точности измерения высоты MB по ДЧКФ.

Практическая ценность диссертационной работы обусловлена тем, что полученные результаты являются теоретической и реализационной основой для выбора параметров, расчета основных характеристик и создания перспективных на-носекундных океанографических ПРВ и надирных MPC, а также РТС и устройств, служащих для обработки сигналов, отраженных от поверхностно-распределенных объектов, применяемых в различных областях хозяйствования. Разработан и проанализирован новый квазиоптимальный метод измерения высоты MB по форме информационного сигнала и для него проведены оценки точностных характеристик, показывающие возможность достижения необходимых требований. Практи-

ческая ценность результатов подтверждается авторским свидетельством и экспериментальными результатами самолетных испытаний.

Реализация работы. Проведенные в диссертации исследования использованы: 1) в межвузовских научно-исследовательских работах, выполненных по программам: "ФИЗМАТ" с 1993 по 1996 гг. по техническим заданиям Московского физико-технического института; Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (Подпрограмма: 209. Информационно-телекоммуникационные технологии) 2003 -2004 гг. 2) в НИР и ОКР «Гребень», выполняемых в Особом Конструкторском Бюро МЭИ (ОКБ МЭИ) с 1976 по 1993гг.; 3) некоторые идеи по надирному синтезу апертуры антенны, заложенные в данной диссертационной работе были использованы при наземной обработке на полигоне ОКБ МЭИ высотомерной информации, полученной с РСА автоматических межпланетных станций «Венера-15», «Венера-16», которые осуществляли картографирование поверхности планеты «Венера».

Результаты диссертационных исследований использованы также в учебном процессе в курсах "Локационные методы исследования объектов и сред", "Проектирование систем дистанционного радиозондирования Земли", "Радиолокационные системы" на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ).

Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники; использовании современной теории радиовысото-метрии и теории синтеза апертуры антенны; на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях, одобренных научной общественностью; на результатах компьютерного моделирования, а также на экспериментальных данных, полученных в самолетных испытаниях.

системе контроля природной среды" (АН СССР, г. Обнинск, 1981г.); на Международном симпозиуме по использованию СВЧ радиоволн в дистанционном зондировании (Тулуза, Франция, 1984г.); на Всесоюзной НТК по теории и технике радиовысотометрии. г. Каменск-Уральский, 1986; на Всесоюзной НТК "Современные проблемы радиоэлектроники" (Москва, МЭИ, 1988г.); на советско-американском симпозиуме "Исследования океана из космоса" (Москва, институт океанологии им. П.П. Ширшова, АН СССР, июнь 1991г.); на IV Международной конференции "Распространение радиоволн" (Вологда, июнь 1994г.); на Международной конференции 100-летие начала использования радио (Москва, май, 1995г.); на Международных симпозиумах по космическим системам связи и дистанционному зондированию (Сиань, Китай, 1995 и 1997г.); на XVIII Всероссийской НТК по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996г., С. Петербург, РАН, Научный Совет по комплексной проблеме "Распространение радиоволн"); на Всероссийской научной конференции-семинаре по сверхширокополосным сигналам и их применению в различных областях радиотехники, г. Муром, Муромский госуниверситет, 2003 г; на Международной НТК «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова», Москва, МЭИ (ТУ), 2003г; на Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, сентябрь 2004г., на XXIII Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» С-Петербург, апрель 2005г, на II Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». ОАО «Российские космические системы», 2010.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа, в том числе 9 статей в научно-технических журналах (1-а из списка ВАК), патент и авторское свидетельство на изобретение, 10 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, приложения и содержит 226 стр. текста, 115 рисунков и 8 таблиц.

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.

Первая глава посвящена анализу статистических характеристик сигналов ПРВ, отраженных от МП при широкой вариации исходных данных, связанных с характеристиками зондирующего сигнала, режимом облучения и состоянием МП. В работе введен термин - информационный сигнал ПРВ, являющийся усредненной формой мощности сигнала во временной области или усредненной формой спектральной плотности мощности сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы в частотной области. Для углов отклонения от вертикали в$, не превышающих четверти от ширины ДНА - 25в0; получено и исследовано аналитическое выражение для усредненной мощности сигнала характеризующее среднюю форму импульса, отраженного от МП при использовании зондирующего сигнала с ЛЧМ и коэффициентом сжатия & = а/с- ти

Ш^а^ 4^44 1 411. I2 А )\

I 1 Т , 1 2 , С & __Ш_.

гле ~~г— +2с? ■ Ф(*) = -р= \еу ¿у. Ь=-( л\ '

где У> Н#жв> 5,55^^1-5,55^+6?

№ - параметр, характеризующий влияние высоты МВ на форму фронта сигнала; & = 2ст1,/с, среднеквадратичная ордината МВ, связанная с высотой МВ 3% обеспеченности ~5,2ег; за начало отсчета по оси времени ? также принят момент ?а = 2 н/с } н . высота от ПРВ до среднего уровня спокойной МП.

Проведенный анализ формы информационного сигнала ПРВ при оптимальной обработке во временной области показал, что увеличение высоты МВ приводит к затягиванию длительности и уменьшению крутизны фронта усредненного отраженного сигнала, но вне зависимости от высоты МВ все отраженные сигналы пересекаются в одной точке, рис.1. Осуществляя слежение за положением этой точки перегиба на фронте усредненного отраженного сигнала, можно оценивать высоту полета ИСЗ, а при известной с достаточной точностью орбите исследовать топографию поверхности моря. Чувствительность формы фронта отраженного сигнала к высоте МВ возрастает с увеличением 4/"с и позволяет проводить оценку степени взволнованности МП. Возможность оценивать высоту МВ одновременно с высотой полета ИСЗ расширяет функциональные возможности ПРВ. При оптимальной обработке сигнала в частотной области под усредненной фор-

мой сигнала понимается усредненный спектр сигнала биений на выходе смесителя в корреляционно-фильтровой схеме обработки ^ (/).

4 ________,_|_ Рис. 1. Передний участок нор-

1 / мированного информационного

0$> сигнала (?) при различной

степени взволнованности МП: 1)СТА1=0,5 м; О2^ =0,044 рай2;

0.4

2)СГи=1,5л<; а2ш2=0,0$7рад2;

3) Ои=4*; ¿„л = 0,141/и)2; Я=800км, 4£=320М1/, ширина ДНАв0 =0,035 рад, вг = 0

При обработке в частотной области используется сжатие отраженного сигнала по спектру (в отличие от согласованной фильтрации при обработке во временной области, осуществляющей сжатие по времени).

Л' Ш2Н'а1МсТ„

а \

-5.55%

¿У Ь/

ехр

о у

У.

0.5-Ф

2 кц

,(2)

Сравнение (1) и (2) позволяет сделать вывод, что поведение усредненной формы спектра сигнала биений З'Д/) в зависимости от параметров ПРВ, режима облучения и состояния МП аналогично поведению усредненной огибающей отраженного сигнала Р^) при тех же вариациях исходных данных. Это объясняется линейной связью между частотой и временем для ЛЧМ сигнала г=/Д=Д]/4/~с. Таким образом, также как и во временной области, оценка высоты до среднего уровня МП и среднеквадратичных ординат МВ может производиться в частотной области соответственно по положению и форме фронта усредненного сп ектра сигнала биений £,(/), который несет основную информацию об измеряемых параметрах МП. В данной главе исследованы также корреляционные интервалы быстрых и межпериодных флуктуаций отраженного от МП сигнала. Во второй главе проводится разработка метода определения высоты МВ по форме фронта информационного сигнала. Синтезирована структура оптимального дискриминатора измерителя степени взволнованности и определены его дискриминационная (ДХ) и флуктуационная (ФХ) характеристики. Синтез проведен при условии, что измеряемым параметром является высота (точнее среднеквадратич-

ная ордината MB, а остальные параметры (высота полета, отклонение оси ДНА от вертикали, отношение с/ш) известны точно. Далее было определено влияние на выходной сигнал дискриминатора рассогласования по остальным параметрам. Выходной сигнал оптимального по критерию минимума флюктуацион-ной погрешности дискриминатора ПРВ определяется выражением производной логарифма функции правдоподобия по измеряемому параметру. Тогда оптимальный дискриминатор должен выполнять следующую операцию

2N0*l + q(t)

(3)

р«)=м

где p(t) - оценка измеряемого параметра, p(t) - истинное значение измеряемого параметра, \{t) - входная реализация - аддитивная смесь эхо-сигнала от МП и шума приемника со спектральной плотностью мощности n0. Под знаком модуля представлены операции обработки принятой реализации, включая согласованную фильтрацию с импульсной функцией Ьф (0 и квадратичное детектирование. Состояние МП удобно оценивать по параметру №, характеризующему влияние высоты MB на форму фронта отраженного сигнала, см. рис. 1 и выражения (1), (2). ДХ до компенсации шумового компонента равна

СО СО

= рт {/>„ (?, ц)^ (Г, Ц + 8ц)й + n0afk ¡vcii (t, ц + 8ц)А, (4)

где нормированная стробирующая функция К/.С'М) оптимального дискриминатора. Оптимальный дискриминатор является ключевой частью измерительной системы ПРВ, представленной в виде блок-схемы на рис. 2. Проведено исследование ДХ и ФХ оптимального дискриминатора.

ФХ определена, как зависимость отношения спектральной плотности выходного сигнала дискриминатора при малом рассогласовании по измеряемому параметру 5р на нулевой частоте спектра флуктуаций выходного сигнала к квадрату крутизны ДХ от этого же рассогласования

,рМ

-Л _ _ _л

<Si=0

Рис. 2. Блок-схема измерительной системы ПРВ на основе оптимального дискриминатора оценки степени взволнованности МП

где Puif'ß)~ информационный сигнал, pc(t) - АКФ зондирующего сигнала, р{х) -сечение двумерной КФ эхо-сигнала на выходе СФ плоскостью (0, т). Потенциальная точность единичного измерения параметра ¡л, равна и не спадает до нуля при неограниченном увеличении отношения с/ш, это объясняется отличными от нуля флуктуациями биений сигнал-сигнал в силу случайного характера самого эхо-сигнала ПРВ. Выполнены оценки потенциальной точности измерения высоты MB. Например, при с/ш 20 дБ и Щ% ист = 5,2 м погрешность единичного измерения высоты MB составляет около 0,25 м. В работе предложена структура квазиоптимального дискриминатора, в котором алгоритм вычисления строится на основе аппроксимации усредненной формы фронта информационного сигнала полиномом третьей степени по п отсчетам (узлам аппроксимации). Оценки степени взволнованности МП и высоты получаются в результате вычисления соответствующих коэффициентов аппроксимирующего полинома, которые находятся по методу наименьших квадратов. Практически это осуществляется путем стробиро-вания фронта отраженного сигнала гребенкой коротких строб-импульсов.

Квазиоптимальный алгоритм дискриминатора измерителя высоты MB в частотной области заключается в вычислении безразмерного коэффициента волнения квл = A/"c3a3 /ай 5 где аз и «о - коэффициенты аппроксимирующего полинома. Сравнение точности измерений по оптимальному алгоритму с точностью квазиоптимального проведено для случая обработки эхо-сигнала в частотной области, см. рис. 3. Из расчета следует, что при отношении с/ш > 20 дБ оптимальный алгоритм обладает точностью до 2 раз выше, чем квазиоптимальный. Например, с

учетом усреднения за 1с в экстраполяторе следящей системы с астатизмом 2-го порядка достигается точность измерения высоты МВ (н3%=5,2 м) порядка 8,3 см. В третьей главе проведена разработка метода определения с борта ИСЗ высоты МВ по ДЧКФ сигнала, отраженного от МП. С ростом высоты облучения при фиксированной ширине ДНА возрастают размеры облучаемой на поверхности области и это вызывает декорреляцию ДЧКФ.

1.5

Рис. 3. Потенциальная точность единичного измерения степени взволнованности МП при условии: 1 - а/,,,-,- = 1 м, оптимальный; 2 -с/, ист =1 м, квазиоптимальный; 3 - с* ист = 2 м, оптимальный; 4 - оЛист= 2м, квазиопгимальный; 5 - ом« = 4 м, оптимальный; 6 - щ исг = 4 м, квазиоптимальный

25 дБ

Разработан новый алгоритм пространственно-временной обработки отраженного сигнала, включающий синтез апертуры антенны многочастотного радиоинтерферометра и использование интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета ИСЗ для исключения влияния декоррели-рующего множителя на ДЧКФ, см. рис.4.

0.9 0.8 0.7 0.6 ' 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 о

N=3 <3 =75 см, ¿а =70 см

¿ = 55 см, ¿з,=50 см

ай= 70 см ¿=35 см, <1а=30 см

^г1 Параметры системы: Н =400 км, 1=0.86 см, А{= 12 МГц

с1а= 50 см

" (За=

31) см"

О 0.5 1

1.5

2.5

3.5

Рис. 4. Зависимости коэффициента корре-

ляции от

при

различном количестве излучателей в антенной решетке Ид , различных диаметрах излучателей и расстояниях между антеннами

Алгоритм, позволяющий проводить оценку высоты МВ, хорошо совмещается с алгоритмом оценки среднеквадратичных наклонов МВ (см. главу 4), поэтому эти параметры взволнованности МП можно оценивать одновременно. Для аппаратурной реализации метода используется вычисление модуля коэффициента ДЧКФ.

в..

|р(М)| = ■

в.

ехр(~2 ■ Ак2 -с2,)

же 2

1 в \ с ( ) \

Ак-Н ■ в1' ■

ЭКв{ 8

V 3 2 ) 1 V У

(IV)

(6)

# = .02 =____

г.че Ак = Ао}/с- Жв1 с с, 2 , дл2 ' э«2 * с „з , /г \ , Лп7 -эквивалентные

^ 1 1У у 1 1' * • ■ ' " • ........

ДН, учитывающие ДНА и ДОР МП, Авх ~ ширина ДН вдоль оси X (вдоль), ДН вдоль оси ОУ (поперек) шире в ^ = Ав2х/Ав2г раз; д - отношение с/ш. В главе показано, что для получения одинаковой чувствительности метода к высоте МВ во всем возможном диапазоне морского волнения необходимо использовать не две, а не менее 4-х частот и предложен способ их оптимального выбора.

Четвертая глава посвящена доработке метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с космической орбиты путем комплексирования измерителя высоты волн -радиоинтерферометра с измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ширине доплеровского спектра эхо-сигнала - надирным скатте-рометром, который позволит оценивать состояние взволнованности МП в области слабого волнения, там, где другие радиолокационные средства дистанционного зондирования не обладают достаточной чувствительностью, например, ПРВ.

Корреляционная функцию отраженного сигнала определена в виде

Р С 2 Я2\к I Р а2 ]сот

*с(г)= 0 0 Г° Р

15 Ъ2жН в01+5,5а^

-к

е}+5,5& и

К2т2

(7)

где - сопротивление входных цепей ПРМ, Щ, - скорость носителя. Из (7) нетрудно определить среднюю мощность отраженного сигнала. Для оптимального выбора полосы приемника, необходимо оценить ширину спектра флуктуации отраженного от МП сигнала. Осуществляя преобразование Фурье выражения (7), получим спектр флуктуаций эхо - сигналов и ширину спектра флуктуаций

}

Ширина нормированного спектра флуктуаций зависит от коэффициента шероховатости поверхности, равного удвоенной дисперсии наклонов МВ (а^ = ), которая в свою очередь определяется скоростью поверхностного ветра. Зависимость 4/фЛ приведена на рис. 5.

„4

2-10

Рис. 5. Зависимость ширины спектра флуктуаций от среднеквадратичного наклона МВ (Уа=30 см; Я=б см; Ш„=7,5 км/с)

0.05 0.1 сд _ рЗД

Из полученных результатов следует, что среднеквадратичный наклон МВ, характеризующий скорость поверхностного ветра и степень взволнованности поверхности, можно получить, анализируя ширину спектра флуктуаций отраженного сигнала и оценивая его мощность. Анализ показал, что этот способ обладает максимальной чувствительностью на слабом волнении, для повышения чувствительности и расширения диапазона, измеряемых ов желательно уменьшить размер антенны и увеличить длину излучаемой радиоволны, т.е. расширить ДНА. Но с другой стороны, для работы ИСЗ скаттерометра необходима достаточная энергетика, что требует увеличения размера антенны. Выбирая Д/^рм = 24/флтах для заданной А, определено отношение с/ш от состояния МП. Результаты расчетов показали, что при Ри21 =1 Вт. Тш=Ш°К,с1а=30 см; 1=6 см; Н 1=400 км отношение с/ш не менее 10 дБ во всем возможном диапазоне волнений. Итак, из полученных результатов следует, что среднеквадратичный наклон МВ, характеризующий степень взволнованности поверхности и скорость поверхностного ветра, можно получить, анализируя ширину спектра флуктуаций отраженного сигнала. Оценка среднеквадратичного наклона МВ по ширине спектра флуктуаций обладает наибольшей чувствительностью в области слабого волнения. Дальнейшее упрощение технической реализации измерителя предложено получить, применив вместо монохроматического, импульсный когерентный квазинепрерывный режим излуче-

ния, это дает возможность обеспечить временную развязку между ПРД и ПРМ. На основе выбранного метода измерения высоты MB (глава 3) по ДЧКФ и наклона MB по спектру флуктуации отраженного сигнала составлена функциональная схема MPC. Обработка сигналов для получения характеристик морского волнения поверхности сводится к обработке эхо-сигналов в разных диапазонах длин волн (0,86 см - для измерения MB О/, и 5,6 см- для измерения наклона ао MB). Поэтому процесс обработки сигналов разбивается на два этапа разнесенных во времени. В пятой главе получены и проанализированы потенциальные точностные характеристики измерения высоты MB по ДЧКФ отраженного сигнала с учетом собственных шумов ПРМ, рис. 6. Окончательное выражение для потенциальной точности оценки среднеквадратических ординат М'В имеет вид:

ff =_1-Ш)г

ФМ^./Хо^флЧ^^))'

где N- число накапливаемых независимых реализаций на двух частотах.

Рис. 6. Зависимость точности измерения среднеквадратических ординат MB при Я=700км, ¿=8,6мм, 4=0,7м, ^=7,5км/с, 4M 15, 25МГп, q=10, n= 128; 3 антенны, база- ва=0,8м, kl=4,4

В шестой главе приведены результаты самолетных испытаний и компьютерного моделирования предложенных методов измерения высоты MB. Даны структурная схема и технические характеристики макетного образца самолетного ПРВ «Гребень», разработанного на кафедре «Радиотехнических приборов» МЭИ (ТУ) и в ОКБ МЭИ. ПРВ «Гребень» был установлен на борт летающей радиофизической лаборатории ИРЭ РАН, самолет ИЛ-18 (бортовой № 75423) и прошел полный цикл самолетных испытаний над различными акваториями страны: Черным, Каспийским, Карским, Охотским морями и над Тихим океаном. Приводятся результаты экспериментов: 1) по изучению стабильности измеряемого коэффициента

волнения (КВЛ) при полетах в одном и том же районе с однородным волнением; 2) по проверке чувствительности КВЛ к смене степени взволнованности МП. Полученные результаты наглядно подтверждают уверенное определение состояния взволнованности МП по значению КВЛ, принятое в ПРВ «Гребень» с разрешающей способностью, достаточной для реализации 4...5 градаций балльности во всем возможном диапазоне морского волнения. В этой же главе приведены результаты компьютерного моделирования работы MPC на языке программирования С++. В модели использована фацетная модель МП и аппроксимациях ДНА и ДОР гауссовыми функциями. Наглядно подтверждена возможность высокоточной оценки высоты MB по ДВЧК отраженного сигнала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации показано, что оценка высоты MB с борта КА возможна двумя способами, либо прямым в режиме ПРВ, по форме фронта информационного сигнала, либо путем определения взаимной ДЧКФ отраженных от МП сигналов. При использовании гауссовой модели распределения ординат MB, принятой в океанологии, однозначная связь двух указанных способов определения степени взволнованности МП физически понятна и объясняется однозначной зависимостью гауссовой плотности вероятности и ее характеристической функции от ординат MB.

2. Чувствительность формы фронта информационного сигнала к высоте MB возрастает с увеличением А/с ■ Возможность оценивать высоту MB одновременно с высотой полета ИСЗ расширяет функциональные возможности ПРВ. Синтезирована структура оптимального дискриминатора измерителя степени взволнованности и определены его ДХ и ФХ. Сделана оценка потенциальной точности измерения, которая сопоставлена с точностью предложенного квазиоптимального способа измерения высоты MB.

3. Введение режима надирного синтеза апертуры антенны в радиоинтерферометр и создание интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета - кардинальный путь исключения влияния декорре-лирующего множителя на ДЧКФ, что позволяет оценивать высоту MB с ИСЗ.

4. Проанализирована возможность одновременной оценки не только высоты MB, но и дисперсии их наклонов, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности. При этом надирный MPC позволяет оцени-

вать состояние взволнованности МП в области слабого волнения, там, где другие радиолокационные средства дистанционного зондирования не обладают достаточной чувствительностью. Проведена оптимизация структуры и параметров МРС для работы в квазинепрерывном режиме с борта малого ИСЗ.

5. Проанализированы потенциальные точностные характеристики измерения высоты MB по ДЧКФ. В диапазоне морского волнения до 6 баллов включительно достигается потенциальная точность измерения ординат MB до 5 см.

6. Полученные при компьютерном моделировании результаты подтвердили основные теоретические закономерности, заложенные при проектировании измерителя. Разработанная модель позволяет уточнить выбор, режимов облучения и алгоритмов обработки надирного МРС, способного базироваться на малом ИСЗ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баскаков А.И., Мин-Хо Ка, Терехов В.А., Оценка ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции отраженных сигналов при надирном синтезировании апертуры антенны. М.: Радиотехника, 2006, № 12, с. 37-41.

2. Способ определения характеристик волнения морской поверхности с летательного аппарата Авторское свидетельство №1344072, от 08.07.1987. Авторы: Арманд H.A., Баскаков А.И., Калинкевич A.A., Кутузо Б.Г., Терехов В.А.

3. PJIC предупреждения столкновения самолета с посторонними объектами при маневрах на аэродроме. Бюл. №31 от 10.11. 2002г. Патент: RU 2192653 С1, 36 с. Авторы: Баскаков А.И., Терехов В.А., Гусевский В.И.

4. Баскаков А.И., Калинкевич A.A., Кутузо Б.Г., Терехов В.А. Совместные радиометрические и высотомерные измерения морского волнения в сантиметровом диапазоне. ТИИЭР, Океанографии, журнал, том ОЕ-9,1984, стр. 325-328 (на англ.яз).

5. Терехов В.А., Баскаков А.И., Гагарин С.П., Калинкевич A.A., Океанографические исследования с помощью радиовысотомера и поляризационного радиометра. Тезисы докладов. 5-й Всесоюзный семинар ГОИН, ВДНХ, Москва, 1983, с. 15.

6. Терехов В.А., Баскаков А.И., Некрасова О.В. Обработка данных РВ AMC «Ве-нера-15», «Венера-16». Тезисы докладов. НТК МЭИ, 1985, с. 27.

7. Богомолов А.Ф., Баскаков А.И., Скрыпник Г.И., Терехов В.А. Предварительные результаты обработки радиовысотомерной информации AMC «Венера-15», «Венера-16». Науч. труды МЭИ, Межвуз. сборник трудов, вып.71, 1985, с. 6 -14.

8. Баскаков А.И., Терехов В.А. Временной дискриминатор прецизионного океанографического радиовысотомера. Радиотехнические тетради, №7,1995, с. 66-70.

9. Терехов В.А., Баскаков А.И., Победоносцев К.А. Оценка корреляционных интервалов быстрых и медленных флуктуации радиосигналов, отраженных от мор-

ской поверхности. Международный Симпозиум по спутниковым коммуникациям и дистанционному зондированию. SCRS'95 Сиань, Китай, сентябрь, 1995, с. 240-243 (на англ. яз.).

10. Терехов В.А., Баскаков А.И., Победоносцев К.А., Морозов К.Н. Влияние анизотропии морской поверхности на диаграмму обратного рассеяния и отраженный сигнал прецизионного радиовысотомера. Международный Симпозиум по спутниковым коммуникациям и дистанционному зондированию. SCRS'97 Сиань, Китай, сентябрь, 1997, с. 274-278 (на англ. яз.).

11. Терехов В.А., Баскаков А.И., Жутяева Т.С., Иванов В.А.. Прецизионный измеритель малых временных интервалов (ИМВИ) для работы в широком диапазоне изменения интенсивности отраженного сигнала. Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике // Всероссийская научная конференция-семинар по СБсрхщирскспслсспым сигналом к их применению в различных областях радиотехники. г. Муром, Сборник докладов. Изд. Муромского инст. 2003, с.476-480.

12. Баскаков А.И., Мин-Хо Ка, Терехов В.А. Оценка среднеквадратичного наклона морских волн по статистическим характеристикам отраженных радиосигналов при облучении морской поверхности с борта самолета или космического аппарата. Радиотехнические тетради, № 26,2003, с. 23-28.

13. Терехов В.А., Баскаков А.И., Жутяева Т.С. Исследование взаимной корреляции отраженных от морской поверхности СВЧ-радиосигналов, разнесенных по частоте // Сб. докл. Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные», г. Сочи, сентябрь 2004, с.197-198.

14. Терехов В.А., Баскаков А.И., Жутяева Т.С. «Разработка метода двухчастотной интерферометрии для оценки состояния поверхности акваторий с малого космического аппарата»// Сб. докл. Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, сентябрь 2004, с. 212 - 213.

15. Терехов В.А., Жутяева Т.С., Баскаков А.И. Двухчастотной радиоинтерферометр для оценки состояния поверхности акваторий с малого космического аппарата. / XXIII Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред». Санкт-Петербург, 19-21.04.2005 г. Тезисы докладов, с. 105 - 112.

16. Терехов В.А. Надирный двухчастотный радиоинтерферометр с синфазной антенной решеткой для оценки состояния взволнованности морской поверхности с борта малого КА. Радиотехнические тетради, №34, 2007г., с.53-60.

17. Терехов В.А. Потенциальные точностные характеристики двухчастотного радиоинтерферометра космического базирования. Радиотехнические тетради, №35, 2007, стр. 36-39.

18. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Анализ систематических погрешностей оптимального дискриминатора для измерения степени взволнованности морской поверхности с борта космического аппарата. Радиотехнические тетради. Изд-во МЭИ. - 2008, №37, с. 62-65.

19. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Потенциальная точность оптимального дискриминатора для измерения степени взволнованности морской поверхности с борта космического аппарата. Радиотехнические тетради. Изд-во МЭИ. -2008. №37, с. 65-69.

20. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Систематические погрешности оптимального дискриминатора для измерения степени взволнованности морской поверхности с борта космического аппарата. Труды Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения. М. Физматлит, 2009, с. 316-325

21. Терехов В.А., Баскаков А.И. Двухчастотная интерферометрия над морем с борта малого космического аппарата. Ракетно-космическое приборостроение и информационные технологии 2009-2010гг. Труды II Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». ОАО «Российские космические системы», М, «Радиотехника», 2010, с.57-70.

Подписано в печать ХЬ зак. Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Терехов, Владимир Алексеевич

Введение.2

1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ПРЕЦИЗИОННОГО РАДИОВЫСОТОМЕРА

1.1. Статистические характеристики сигналов прецизионного радиовысотомера, отраженных от морской поверхности.12

1.2. Анализ формы информационного сигнала ПРВ при оптимальной обработке во временной области.22

1.3. Анализ формы информационного сигнала ПРВ при оптимальной обработке в частотной области.29

1.4. Выводы по главе .33

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН

ПО ФОРМЕ ФРОНТА ИНФОРМАЦИОННОГО СИГНАЛА

2.1. Определение высоты морских волн по форме фронта информационного сигнала с использованием аппроксимирующего полинома.35

2.2. Синтез оптимальных алгоритмов обработки отраженных сигналов прецизионного оканографического радиовысотомера космического базирования.45

2.3. Выводы по главе 2.66

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН ПО ДВУХЧАСТОТНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ СИГНАЛА, ОТРАЖЕННОГО ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

3.1. Взаимная корреляционная функция радиосигналов, отраженных от морской поверхности, разнесенных по частоте.68

3.2. Оценка дисперсии ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции при синтезировании апертуры антенны.79

3.3. Оценка дисперсии ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции при нефокусированном синтезировании апертуры антенны.90.

3.4. Оценка состояния морской поверхности с помощью радиоинтерферометра с пространственной базой поперек линии пути.96

3.5. Выводы по главе 3.114

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО НАКЛОНА МОРСКИХ ВОЛН ПО СТАТИСТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ОТРАЖЕННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ С БОРТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

4.1. Корреляционная функция и спектр огибающей радиолокационного сигнала, отраженного от морской поверхности.117

4.2. Оценка отношения сигнал/шум для различной степени морского волнения.126

Функциональная схема радиоинтерферометра — скаттерометра.128

4.3. Выводы по главе 4.132

5. ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН ПО ВЗАИМНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ

5.1 Оценка степени взволнованности морской поверхности по двухчастотно-му коэффициенту корреляции отраженного сигнала с учетом собственных шумов приемного устройства.134

5.2. Оценка потенциальной точности измерения степени взволнованности морской поверхности по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала.136

5.3. Алгоритм оптимального измерения степени взволнованности МП по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала.147

5.4. Выводы по главе 5.150

6. РЕЗУЛЬТАТЫ САМОЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН

6.1. Структурная схема и технические характеристики макетного образца самолетного прецизионного радиовысотомера «Гребень».152

6.2. Результаты самолетных испытаний макетного образца прецизионного радиовысотомера «Гребень».167

6.3. Результаты компьютерного моделирования двухчастотного радиоинтерферометра.182

6.4. Выводы по главе 6.203

Введение 2011 год, диссертация по радиотехнике и связи, Терехов, Владимир Алексеевич

Космические средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и наземная инфраструктура, предназначенная для приема, обработки, хранения и распространения космической информации ДЗЗ, должны создаваться и совершенствоваться в максимальном соответствии с задачами и требованиями хозяйственных и научных организаций-потребителей космических данных. Задачи, стоящие перед хозяйствомны, 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. Космические системы дистанционного зондирования в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли 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). Информация о состоянии МП, скорости и направлении ветра над ней, степени взволнованности 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. Развитие спутниковой океанологии дополнительно стимулируется удорожанием эксплуатации и вынужденным сокращением исследовательского флота России.

В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени взволнованности МП радиолокационным методом, является прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). 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 морских волн (MB), и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных изменением уровня МП. ПРВ обеспечивает прецизионную точность измерения высоты над средним уровнем морской поверхности, а при известной орбите ИСЗ — топографии МП в подспутниковой области с флуктуационной погрешностью не более 10см. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ. Повышение разрешающей способности до 10см на 100км подспутниковой трассы /уклон 10'6/ позволяет определить отклонения уровня поверхности моря от геоида, детально исследовать вихревую структуру общей океанической циркуляции и обнаруживать разрушительные волны цунами задолго до их приближения к берегу.

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 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 наносекундной разрешающей способностью, а основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма отраженных от МП сигналов ПРВ [7]-[15]. Тактико-технические характеристики существующих и перспективных ПРВ даны в [4] таблица 1.

Для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиосигналы с наносекундной разрешающей способностью. При этом сигналы сложной формы, в частности с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) обладают несомненным преимуществом перед простыми наносекундными СВЧ радиоимпульсами, поскольку при той же разрешающей способности обеспечивают выигрыш в отношении сигнал/шум (С/Ш) в коэффициент сжатия раз [11], [13].

Анализируется либо форма усредненной мощностной огибающей Р(г), получаемая при временном способе обработки отраженного сигнала с использованием в ПРМ тракте согласованной фильтрации [6], [7], [11], либо форма усредненного спектра сигнала биений получаемая при частотном способе обработки отраженного сигнала с использованием корреляционно-фильтровой схемы оптимальной обработки сигнала в ПРМ тракте ПРВ [6], [12], [16]. Полученные общие выражения для Р(Ч) и Б3ф позволяют сделать вывод, что вид и форма усредненного спектра сигнала биений совпадает с формой усредненной мощностной огибающей при аналогичных исходных данных [17], что объясняется линейной связью между временем и частотой для ЛЧМ сигнала. В известных работах показано [18],[19], что по положению и форме переднего фронта усредненной огибающей отраженного сигнала можно оценивать высоту - расстояние до среднего уровня МП (Н) и высоту МВ (к), а по мощности эхо-сигнала коэффициент шероховатости поверхности (а1и) и скорость поверхностного ветра (Уд). Поскольку усредненная огибающая, полученная при обработке отраженного сигнала во временной или частотной области несет информацию о состоянии МП, в диссертационной работе предложено ее называть информационным сигналом [15].

В 1957 г. Мур и Виллиамс [20] продемонстрировали, что средняя мощность отраженного от земной поверхности сигнала рассчитывается простым суммированием мощностей сигналов, отраженных отдельными рассеивающими элементами на поверхности. Этот результат был очень важен, так как ясно показал, что для некогерентного рассеяния можно применить метод суперпозиции в отношении к мощности. Используя этот подход, С.Г. Зубковичем [10] была рассчитана усредненная форма сигнала, отраженного от однородной шероховатой поверхности при облучении ее прямоугольным радиоимпульсом.

Другие авторы [7], [9], [21], [22] показали, что усредненная форма отраженного от подстилающей поверхности сигнала является сверткой радиолокационного отклика системы на точечную цель с откликом поверхности на импульсный сигнал с мощностной огибающей в виде делта-функции. Этим методом в работе [7] были рассчитаны усредненные формы огибающих эхо-импульсов, отраженных от протяженной, статистически неровной поверхности. При повышении требований к точности геодезических измерений стала ясной необходимость учета степени взволнованности МП в районе измерений [9]; [11]. Для наносекундных зондирующих радиоимпульсов в статьях [23], [24] и более поздних работах [13], [25], [26] было показано, что при вычислении усредненной формы отраженного от МП сигнала в интеграле свертки следует учитывать нормальный закон распределения ординат МВ.

Однако, проблема синтеза оптимальных алгоритмов оценки высоты МВ в океанографических ПРВ и анализа потенциальной точности измерений высоты МВ данным методом практически не освещены в отечественной и зарубежной печати, если не считать нескольких статей, содержащих общие сведения рекламного характера [27] - [29]. В указанных современных ПРВ информация о состоянии взволнованности МП извлекается из вторичной, наземной обработки. Автором предложен и экспериментально проверен метод измерения высоты МВ в облучаемой области по форме фронта отраженного от МП информационного сигнала при обработке, как во временной, так и в частотной области в реальном времени на борту ИСЗ [13], [15], [30].

Однако, основная задача ПРВ - оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты MB в этих приборах является вспомогательной задачей. 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-скаттерометра (MPC), позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: а) высоту MB путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП; б) крутизну MB путем оценки ширины доплеровского спектра флуктуаций и мощности отраженного сигнала, связанной с удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) поверхности и скоростью поверхностного ветра. Возможность оценки высоты MB по ДЧКФ отраженного сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, JI.M. 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 является вертолет или самолет [31] - [35]. 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 MB резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты MB по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. Другими словами, с ростом высоты облучения при фиксированной ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) возрастают размеры облучаемой на поверхности области и, соответственно, растет разброс разностей набега фаз на двух частотах от одних и тех же парциальных отражателей, находящихся в облучаемом на поверхности пятне. Это и вызывает де-корреляцию ДЧКФ, которая маскирует полезную декорреляцию из-за волнения моря. В диссертации показано, что для получения одинаковой чувствительности метода к высоте MB во всем возможном диапазоне морского волнения необходимо использовать не две, а не менее 4-х частот, и предложен способ их оптимального выбора [35] - [36]. Поэтому радиоинтерферометр назван многочастотным.

Важной задачей является также необходимость совмещения измерителя высоты MB с надирным скаттерометром — измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ширине доплеровского спектра флук-туаций эхо-сигнала. Это достигается решением задачи по выбору параметров, режимов облучения и алгоритмов обработки надирного MPC. При этом относительная простота и технологичность конструкции MPC должна позволить разместить его на малом ИСЗ.

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

- В направлении создания океанографического ПРВ:

2. Обоснованность метода измерения и анализ его точностных характеристик.

3. Выбор оптимальных параметров ПРВ для получения потенциальных точностных характеристик системы к высоте MB.

- В направлении создания надирного MPC:

1. Обоснованность возможности оценки высоты морских волн по ДЧКФ с ИСЗ.

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

4. Оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации и ра-диовысотометрии. Экспериментальные исследования выполнены методами физического и компьютерного моделирования, а также в реальных эксплуатационных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

- В направлении создания океанографического ПРВ: 1)Анализ информационных сигналов при широкой вариации исходных данных, связанных с режимом облучения, параметрами радиовысотомера и степенью взволнованности МП. 2)Разработка метода определения высоты MB по форме фронта информационного сигнала, работающего в реальном времени 3)Анализ зависимости потенциальных точностных характеристик ПРВ при вариации исходных данных

- В направлении создания надирного MPC: 1) Использование метода надир-ного синтезирования апертуры антенны и создание интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ. 2) Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки, отраженных от МП радиосигналов. 3) Оценки потенциальной точности измерения высоты MB в зависимости от выбранных параметров MPC, режима облучения и состояния МП. 4) Анализ возможности одновременной оценки не только высоты MB, но и дисперсии наклонов MB, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности.

Научная новизна результатов работы.

1. Разработан и экспериментально проверен новый метод определения высоты MB по форме фронта информационного сигнала ПРВ.

2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров ПРВ с оценкой потенциальной точности на основе анализа статистических характеристик отраженных сигналов при широкой вариации исходных данных.

3. Предложена и проверена на компьютерной модели возможность оценки высоты MB по ДЧКФ с космической орбиты с использованием метода нетрадиционного надирного синтезирования апертуры антенны и созданием интер-ферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета для исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧКФ.

4. Синтезирован алгоритм оптимальной обработки отраженных от МП радиосигналов и дана оценка потенциальной точности измерения высоты MB по ДЧКФ.

Практическая ценность диссертационной работы обусловлена тем, что полученные результаты являются теоретической и реализационной основой для выбора параметров, расчета основных характеристик и создания перспективных наносекундных океанографических ПРВ и надирных MPC, а также радиотехнических систем и устройств, служащих для обработки сигналов, отраженных от поверхностно-распределенных объектов, применяемых в различных областях хозяйствования. Разработан и проанализирован новый квазиоптимальный метод измерения высоты MB по форме информационного сигнала и для него проведены оценки точностных характеристик, показывающие возможность достижения необходимых требований. Практическая ценность результатов подтверждается авторским свидетельством и экспериментальными результатами самолетных испытаний.

1976 по 1993гг.; 3) некоторые идеи по надирному синтезу апертуры антенны, заложенные в данной диссертационной работе были использованы при наземной обработке на полигоне ОКБ МЭИ высотомерной информации, полученной с РСА автоматических межпланетных станций «Венера-15», «Венера-16», которые осуществляли картографирование поверхности планеты «Венера».

Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники; использовании современной теории радиовысо-тометрии и теории синтеза апертуры антенны; на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях, одобренных научной общественностью; на результатах компьютерного моделирования, а также на экспериментальных данных, полученных в самолетных испытаниях.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах в МЭИ (ТУ) и ОКБ МЭИ, в Институте океанологии им П.П. Ширшова РАН, в ИРЭ РАН, на НТК МЭИ (ТУ) (1978, 1980, 1982, 1985, 1988, 1990, 1992гг.); на заседании подсекции "Радиофизические исследования земных покровов" Научного Совета по комплексной проблеме "Распространение радиоволн" (ИРЭ РАН, 1982г.); на Межведомственных семинарах "Неконтактные методы измерения океанографических параметров" (Ленинградское отделение Государственного океанографического института, 1978г.; Москва, ВДНХ, 1983г.); на Всесоюзном семинаре "Технические средства для государственной системе контроля природной среды" (АН СССР, г. Обнинск, 1981г.); на Международном симпозиуме по использованию СВЧ радиоволн в дистанционном зондировании (Тулуза, Франция, 1984г.); на Всесоюзной НТК по теории и технике радиовысотометрии. г. Каменск-Уральский, 1986; на Всесоюзной НТК "Современные проблемы радиоэлектроники" (Москва, МЭИ, 1988г.); на советско-американском симпозиуме "Исследования океана из космоса" (Москва, институт океанологии им. П.П. Ширшова, АН СССР, июнь 1991г.); на IV Международной конференции "Распространение радиоволн" (Вологда, июнь 1994г.); на Международной конференции 100-летие начала использования радио (Москва, май, 1995г.); на Международных симпозиумах по космическим системам связи и дистанционному зондированию (Сиань, Китай, 1995 и 1997г.); на XVIII Всероссийской НТК по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996г., С. Петербург, РАН, Научный Совет по комплексной проблеме "Распространение радиоволн"); на Всероссийской научной конференции-семинаре по сверхширокополосным сигналам и их применению в различных областях радиотехники, г. Муром, Муромский госуниверситет, 2003г; на Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, сентябрь 2004г., на XXIII Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» Санкт-Петербург, 19-21 апреля 2005г, на II Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». ОАО «Российские космические системы», 2010 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа в том числе 9 статей в научно-технических журналах (1-а из списка ВАК), патент и авторское свидетельство на изобретение, 10 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы из 76 наименований, приложения и содержит 226 стр. текста, 115 рисунков и 8 таблиц.

Заключение диссертация на тему "Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ"

6.4. Выводы по главе 6

1. Задача самолетных испытаний, проведенных в данной диссертационной работе заключалась в проверке, предложенного в диссертации метода оценки ординат морских волн по форме фронта информационного сигнала. При этом информация о среднеквадратичных ординатах морских волн извлекалась из усредненной формы переднего фронта огибающей отраженного радиосигнала на выходе квадратичного детектора приемника, а информация о высоте полета над средним уровнем МП определялась величиной задержки переднего фронта того же сигнала.

Для экспериментальных испытаний был разработан самолетный макет прецизионного радиовысотомера «Гребень», установленный на борт летающей радиофизической лаборатории Института Радиотехники и Электроники РАН самолет ИЛ-18 (бортовой № 75423). ПРВ «Гребень» прошел полный цикл самолетных испытаний над различными акваториями страны: Черным, Каспийским, Карским, Охотским морями и над Тихим океаном. В основу построения макетного образца самолетного ПРВ «Гребень» положены рассмотренные в первой части диссертации особенности отражения импульсного СВЧ радиосигнала с наносекундной разрешающей способностью от МП. Алгоритм работы системы «Гребень» реализован на основании аппроксимации усредненной формы переднего фронта отраженного сигнала полиномом третьей степени по пяти узлам, таким образом, что вся информация о текущем рассогласовании в кольце временного слежения и степени морского волнения получается путем вычисления соответствующих коэффициентов аппроксимирующего полинома. Нормированное для исключения зависимости от амплитуды отраженного сигнала отношение коэффициентов полинома - коэффициент волнения (КВЛ), получено на основе формулы (6.3).

Параллельно отраженные от МП сигналы (с выхода квадратичного детектора приемника ПРВ) фиксировались с экрана широкополосного осциллографа С1-75.

2. В проведенных экспериментах информация о степени взволнованности МП поступала в баллах с кораблей, находящихся в районе работы самолета, и от береговой гидрометеослужбы. Поэтому была проведена проверка разрешающей способности системы «Гребень» к различной степени взволнованности МП в градациях балльности. Полученные результаты экспериментов над различными акваториями страны охватывали диапазон волнения МП от 0 до 5 баллов.

3. При полетах в одном и том же районе с однородным волнением измеренные значения коэффициента волнения стабильны и уверенно подтвердили способность ПРВ «Гребень» оценивать степень взволнованности МП.

4. Сравнение результатов замеров высоты морских волн ПРВ «Гребень» и данных гидрометеослужбы в большом количестве летных экспериментов над различными акваториями страны также подтвердило высокую чувствительность ПРВ «Гребень» к разной степени морского волнения.

Также была экспериментально получена высокая степень совпадения измеренной степени взволнованности МП, сделанных ПРВ «Гребень», с данными с трассерного радиометра ИРЭ РАН, работающего в том же диапазоне ( Я =2 см) одновременно в радиовысотомером на том же самолете ИЛ-18.

5. Проверка теоретических положений, принятых при разработке двухчас-тотного радиоинтерферометра проведена в данной диссертации на компьютерной модели.

Математический анализ возможности оценки высоты морских волн по двухчастотной корреляционной функции отраженного сигнала был проверен при использовании фацетной модели отражения для МП и аппроксимациях ДНА и ДОР гауссовыми функциями.

Проанализированы результаты работы компьютерной модели радиоинтерферометра, размещаемого на борту МКА (высота полета 350-700км) и позволяющего получить информацию о высоте морских волн, связанной со скоростью поверхностного ветра, а также возможности модели и перспективы ее использования для проверки алгоритмов работы интерферометра.

6. Показано, что возможно расхождение между теоретическим расчетом и результатами моделирования. Это объясняется тем, что при расчете учитывалась вся ДНА, а при моделировании - производится ее ограничение по уровню - 3 дБ. По мере уменьшения уровня ограничения ДНА до - (12 . 30) дБ происходит постепенное приближение результатов моделирования к расчетным теоретическим значениям.

7. Полученные при компьютерном моделировании результаты подтвердили основные теоретические закономерности, заложенные при проектировании измерителя, включающие надирный синтез апертуры антенны двухчастотного радиоинтерферометра и использование фазированной антенной решетки.

Разработанная модель позволяет уточнить выбор, режимов облучения и алгоритмов обработки надирного двухчастотного радиоинтерферометра, способного базироваться на МКА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации показано, что оценка высоты морских волн современными радиолокационными средствами с борта КА возможна двумя способами, либо прямым методом в режиме ПРВ по форме фронта информационного сигнала, либо путем определения взаимной двухчастотной корреляционной функции отраженных от МП сигналов. При использовании гауссовой модели распределения ординат морских, волн принятой в океанологии, однозначная связь двух указанных методов определения степени взволнованности МП физически понятна и объясняется однозначной зависимостью гауссовой плотности вероятности и ее характеристической функции от ординат морских волн.

2. В работе введен термин - информационный сигнал ПРВ, являющийся усредненной« формой мощности сигнала во временной области или усредненной формой спектральной плотности мощности сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы в частотной области.

3. Получено аналитическое выражение для КФ отраженных от МП радиосигналов ПРВ, позволяющее исследовать зависимость КФ от режима облучения с учетом возможных отклонений оси ДНА от вертикали, выбранных параметров ПРВ и степени взволнованности МП и одновременно проанализировать вид информационного сигнала ПРВ.

4. Получено аналитическое выражение для корреляционного интервала быстрых флуктуаций отраженного от МП сигнала радиовысотомера и показано, что зависимость интервала корреляции от времени проявляется только в начальный момент формирования фронта отраженного сигнала, а далее корреляционный интервал определяется шириной спектра зондирующего сигнала Ахк =1/ А/с 5 что соответствует интервалу разрешения зондирующего ЛЧМ сигнала.

5. Проведен анализ информационного сигнала для широкого диапазона исходных данных: ширина ДНА, отклонение ДНА от вертикали, высота волн МП, длительность зондирующего сигнала и его девиация в случае ЛЧМ.

6. Систематические погрешности оптимальных дискриминаторов для измерения высоты полета и степени взволнованности МП тесно связаны. В составе ПРВ необходимо иметь по крайней мере двухканальную измерительную систему: по высоте полета и по высоте морских волн.

7. Алгоритм оптимального дискриминатора измерителя среднеквадратичной ординаты волн МП как во временной, так и в частотной области имеет следующие важные особенности, которые необходимо учесть при проектировании аппаратно-программного комплекса ПРВ:

- на дискриминатор измерителя степени взволнованности МП необходимо подавать поправку нуля, рассчитываемую для текущего отношения С/Ш, оцениваемого системой АРУ приемника ПРВ;

- для оптимального измерителя степени взволнованности МП допустима ситуация, при которой подаваемая на дискриминатор измерителя степени взволнованности оценка задержки эхо-сигнала, соответствующая среднему уровню МП, имеет погрешность, превышающую традиционно требуемую от космического ПРВ;

- для оптимального дискриминатора измерителя степени взволнованности МП обязательно требуется компенсация шумового компонента выходного сигнала дискриминатора, которая может осуществляться путем обработки входной реализации ПРВ на интервале времени, в течение которого эхо-сигнал отсутствует.

8. Флуктуационная погрешность измерений высоты морских волн не спадает до нуля при неограниченном увеличении отношения С/Ш, что объясняется неуменьшающимися до нуля флюктуациями биений сигнал-сигнал в силу случайного характера самого эхо-сигнала ПРВ.

9. Показано, что при высоте морских волн = 5,2 м, отношении сигнал/шум #¿=20 дБ и остальных условиях работы, обычно требуемых от ПРВ КА, потенциальная точность измерения высоты морских волн оставляет около 8,3 см (при усреднении за 1с).

10. Введение режима надирного синтеза апертуры антенны в двухчас-тотный радиоинтерферометр позволяет: а) существенно повысить чувствительность ДЧК к степени взволнованности МП, что особенно важно при зондировании с борта КА; б) заметно уменьшить влияние декоррелирующего множителя на величину ДЧК до двух и более раз, причем тем больше, чем больше выбран разнос частот для повышения относительной чувствительности ДЧК к ординатам морских волн.

11. Требование иметь малую ширину ДНА тем не менее сохраняется, т.е. сужая луч при одном и том же разносе частот (т.е. увеличивая размер антенны или укорачивая длину волны) можно значительно увеличить абсолютную величину коэффициента корреляции. Это объясняется тем, что синтез апертуры позволяет сузить ДНА только по одной координате вдоль линии пути. В поперечном направлении размер облучаемой на МП области остается неизменным. С увеличением длины радиоволны X происходит расширение ДНА', что в свою очередь приводит к резкому уменьшению значения коэффициента корреляции. Поэтому необходимо уменьшать длину волны при измерениях высоты морских волн. Так наиболее приемлемым значением длины волны является 0,86см.

Кардинальный путь исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧК - создание интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета.

12. Как и ожидается, увеличение числа элементов линейной антенной решетки приводит к сужению ДНА, а это в свою очередь приводит к увеличению абсолютного значения модуля коэффициента корреляции. Но, как видно из приведенных результатов, при увеличении числа элементов N от 3 до 5, характеристики измерения улучшаются незначительно. Следовательно, не имеет смысла создавать громоздкую конструкцию антенной системы на борту КА, поэтому предпочтительней выбирать небольшое количество элементов решетки (N =3).

13. Увеличение диаметра параболической антенны приводит к незначительному улучшению характеристик измерения, поэтому из-за ограничений размеров для малого КА, нет необходимости применять в качестве излучателей параболические антенны с большим диаметром зеркала.

14. Увеличение разноса частот приводит к росту чувствительности характеристик измерения. При большей разности частот имеется лучшая чувствительность при малом волнении моря, а при уменьшении Af лучшая чувствительность к высоте морских волн достигается на большом волнении МП. Следовательно, целесообразно использовать многочастотный режим облучения МП. При этом, как показывают приведенные расчеты, достаточно четырех излучаемых частот для достижения одинаковой чувствительности измерений высоты морских волн во всем возможном диапазоне балльности МП.

15. Как и следовало ожидать, увеличение высоты полета приводит к ухудшению характеристик измерения. Но, тем не менее, с борта КА можно проводить оценку высоты морских волн, уверенно реализуя 4.5 градаций балльности МП.

16. Увеличение разноса частот в MPC приводит к различной чувствительности и соответственно к различным точностным характеристикам измерения. При большей разности частот имеется лучшая потенциальная точность при малом волнении моря, а при уменьшении Af лучшая точность к высоте морских волн достигается на большом волнении МП. Следовательно, подтверждается целесообразность использования многочастотного режима облучения МП. При этом, как показывают приведенные расчеты потенциальной точности измерений, достаточно четырех излучаемых частот. Тогда для степени взволнованности моря не более сги— 2м (Нзо/о= 10,4м) может быть реализована точность оценки ординат морских волн не хуже 0,1м, а для степени взволнованности моря до сгй=4м (Нзо/о=20,8м) (9-ти балльный шторм) может быть реализована точность не хуже 0,2м.

19. Для достижения указанной точности необходимо сузить ДНА за счет синтеза апертуры антенны вдоль линии пути, а в поперечном направлении созданием интерферометрической приемной антенны. При этом наиболее приемлемым значением длины волны является 0,86см, а отношение С/Ш должно быть не менее 10 дБ.

20. Для неслучайного действительного параметра 0}г (ординаты морских волн) по критерию максимального правдоподобия получен оптимальный алгоритм измерения степени взволнованности МП по ДЧК отраженного сигнала, который показал необходимость учета не только амплитудных значений взаимных коэффициентов корреляции, но и фазовых различий.

21. В диссертации проанализирована возможность одновременной оценки не только высоты морских волн, но и дисперсии наклонов морских волн, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности. При этом надирный MPC позволяет оценивать состояние взволнованности МП в области слабого волнения, там, где другие радиолокационные средства дистанционного зондирования не обладают достаточной чувствительностью, например, ПРВ. Из полученных результатов следует, что среднеквадратичный наклон морских волн, характеризующий степень взволнованности поверхности и скорость поверхностного ветра, можно получить анализируя ширину спектра флуктуаций отраженного сигнала и оценивая мощность отраженного сигнала. При этом оценка среднеквадратичного наклона морских волн по ширине спектра флуктуаций обладает наибольшей чувствительностью в области слабого волнения. Нетрудно подобрать параметры MPC таким образом, чтобы во всем возможном диапазоне волнений МП было реализовано достаточное отношение С/Ш для определения состояния взволнованности МП и скорости поверхностного ветра.

При этом необходимые характеристики системы по требуемой мощности

210 передатчика и чувствительности приемника не представляют собой сложной технической проблемы.

22. Проведена оптимизация структуры и параметров радиоинтерферо-метра-скаттерометра для малого КА. При этом может быть использован импульсный режим зондирования, а при расчетах основных параметров системы исходят их заданных тактических характеристик: высоты полета, ширины ДНА, полосы обзора, некоторых параметров ориентации на орбите, а также длины волны передатчика.

23. Задача проведенных самолетных испытаний заключалась в проверке, предложенного в диссертации метода оценки ординат морских волн по форме фронта информационного сигнала. При этом информация о среднеквадратичных ординатах морских волн извлекалась из усредненной формы переднего фронта огибающей отраженного радиосигнала на выходе квадратичного детектора приемника, а информация о высоте полета над средним уровнем МП определялась величиной задержки фронта того же сигнала. Для экспериментальных испытаний был разработан самолетный макет прецизионного радиовысотомера «Гребень», установленный на борт летающей радиофизической лаборатории Института Радиотехники и Электроники РАН самолет ИЛ-18 (бортовой № 75423). ПРВ «Гребень» прошел полный цикл самолетных испытаний над различными акваториями страны: Черным, Каспийским, Карским, Охотским морями и над Тихим океаном. В основу построения макетного образца самолетного ПРВ «Гребень» положены рассмотренные в первой части диссертации особенности отражения импульсного СВЧ радиосигнала с наносекундной разрешающей способностью от МП. Алгоритм работы системы «Гребень» реализован на основании аппроксимации усредненной формы переднего фронта отраженного сигнала полиномом третьей степени по пяти узлам, таким образом, что вся информация о текущем рассогласовании в кольце временного слежения и степени морского волнения получается путем вычисления соответствующих коэффициентов аппроксимирующего полинома.

24. В проведенных экспериментах информация о степени взволнованности МП поступала в баллах с кораблей, находящихся в районе работы самолета, и от береговой гидрометеослужбы. Поэтому была проведена проверка разрешающей способности системы «Гребень» к различной степени взволнованности МП в градациях балльности. Полученные результаты экспериментов над различными акваториями страны охватывали диапазон волнения МП от 0 до 5 баллов. При полетах в одном и том же районе с однородным волнением измеренные значения коэффициента волнения стабильны и уверенно подтвердили способность ПРВ «Гребень» оценивать степень взволнованности МП. Сравнение результатов замеров высоты морских волн ПРВ «Гребень» и данных гидрометеослужбы в большом количестве летных экспериментов над различными акваториями страны также подтвердило высокую чувствительность ПРВ «Гребень» к разной степени морского волнения.

Также была экспериментально получена высокая степень совпадения измеренной степени взволнованности МП, сделанных ПРВ «Гребень», с данными с трассерного радиометра ИРЭ РАН, работающего в том же диапазоне (Я =2 см) одновременно в радиовысотомером на том же самолете ИЛ-18.

25. Проверка теоретических положений, принятых при разработке двух-частотного радиоинтерферометра проведена в данной диссертации на компьютерной модели. Математический анализ возможности оценки высоты морских волн по двухчастотной корреляционной функции отраженного сигнала был проверен при использовании фацетной модели отражения для МП и аппроксимациях ДНА и ДОР гауссовыми функциями. Проанализированы результаты работы компьютерной модели радиоинтерферометра, размещаемого на борту МКА (высота полета 350-700км) и позволяющего получить информацию о высоте морских волн, связанной со скоростью поверхностного ветра, а также возможности модели и перспективы ее использования для проверки алгоритмов работы интерферометра.

26. Показано, что возможно расхождение между теоретическим расчетом и результатами моделирования. Это объясняется тем, что при расчете учитывалась вся ДНА, а при моделировании — производится ее ограничение по уровню — 3 дБ. По мере уменьшения уровня ограничения ДНА до — (12 . 30) дБ происходит постепенное приближение результатов моделирования к расчетным теоретическим значениям.

27. Полученные при компьютерном моделировании результаты подтвердили основные теоретические закономерности, заложенные при проектировании измерителя, включающие надирный синтез апертуры антенны двухчастотного радиоинтерферометра и использование фазированной антенной решетки. Разработанная модель позволяет уточнить выбор, режимов облучения и алгоритмов обработки надирного двухчастотного радиоинтерферометра, способного базироваться на МКА.

Библиография Терехов, Владимир Алексеевич, диссертация по теме Радиолокация и радионавигация

1. Концепция развития Российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025г. Федеральное Космическое Агенст-во, 2006, 72 с.

2. Виницкий А.С. Автономные радиосистемы: Учебное пособие для вузов. М: Радио и связь, 1986, 336 с.

3. Rodriguez Е., Pollard В. D. "Centimetric Sea Surface Height Accuracy Using the Wide-Swath Ocean Altimeter," Proceedings of IGARSS 2003, Toulouse, France, July, 2003, p. 21-25.

4. Баскаков А.И., Егоров В.В. Спутниковая высокоточная радиовысотомет-рия: проблемы и перспективы. М.: Радиотехнические тетради, № 41, 2010, с. 14-21.

5. Kremer HJ. Observation of the Earth and its environment survey of missions and sensors/ DLP.Oberpfaffenhofen, 1993, 476 pp.

6. Баскаков А.И. Прецизионный океанографический радиовысотомер космического базирования. Учебное пособие. М.: Изд. МЭИ (ТУ), 1994, 74 с.

7. Brown G. S. The Average Impuls Response of a Rough Surface and Its Applications. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. AP-25, №1, January, 1977, p. 67-74.

8. Макгуген Э.Т., Миллер Л.С., Браун Г.С., Хейн Г.С. Исследование поверхности Земли с помощью радиовысотомера S 193, ТИИЭР, т.62, №6, 1974, стр. 171-184.

9. Hayne G.S. Radar Altimeter Mean Return Waveform from Near-Normal-Incidence Ocean Surface Scattering. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. AP-28, №5, September, 1980, p.687-692.

10. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М. Сов. Радио, 1968, 224 с.

11. Баскаков А.И. Исследование возможности использования сигналов с линейной частотной модуляцией для оценки взволнованности морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 1978. Том XXI. №5. с. 710-713.

12. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиолокации. /Под ред. А.П. Жуковского. М.: Советское радио, 1979, 320 с.

13. Способ определения характеристик волнения морской поверхности с летательного аппарата. Авторское свидетельство №1344072, от 08.07.1987г. Авторы: Арманд Н.А., Баскаков А.И., Калинкевич А.А., Кутузо Б.Г., Терехов В.А.

14. Важенин Н.А., Волковский С.А., Ряпухин И.А. Автоматизированное проектирование бортовых автономных радиотехнических измерителей. Изд. МАИ, 1989, 78 с.

15. Baskakov A.I., Vazhenin N.A., Morozov K.N. Comparision of Information Signais Processed Using Time- and Frequency- Domain Methods in Océanographie Précision Radar Altimeters. Earth Observation and Remote Sensing, 2000, vol. 16, p. 449-455.

16. Chelton D.B., Walsh E.J., MacArthur J.L. Puise Compression and Sea Level Tracking in Satellite Altimetry // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1989, vol. 6, p. 407-438.

17. Баскаков А.И., Терехов В.А. Временной дискриминатор прецизионного океанографического радиовысотомера. Радиотехнические тетради, №7, 1995, с. 66-70.

18. Moor R.K., Williams C.S. Radar terrian return at near vertical incidense. Pro-cidings IRE, 1957, vol.45, №2, p.228-238.

19. Hammand D.L., Menuella R.A., Walsh E.T. Short Pulse Radar Used to Measure Sea Surface Wind Speed and SWH. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1977, v. AP-25, №1, p.61-67.

20. Пирсон У., Мер Д. Форма и смещение среднего возвращенного импульса радиолокационного альтиметра Скайлэб в зависимости от волнения моря. В кн.: Использование искусственных спутников для геодезии/ Под ред. С. Хен-риксена и др. М.: 1975, с.305-319.

21. Баскаков А.И. Корреляционная функция и усредненная мощность радиолокационного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности. Радиотехника, т.34, №1, 1979, с. 85-89.

22. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов /Под ред. Потехина В.А., Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1978, 240 с.

23. Баскаков А.И., Гагарин С.П., Калинкевич А.А., Терехов В.А. Океанографические исследования с помощью радиовысотомера и поляризационного радиометра. Тезисы докладов. 5-й Всесоюзный семинар ГОИН, ВДНХ, Москва, 1983, с. 15.

24. Chelton D.B., Walsh E.J., Hacarthur J.L. Pulse Compression and Sea Level Tracking in Satellite Altimetry. Jornal of Atmospheric and Oceanic Technology, v.6, June 1989, p. 407-437.

25. Wingham D. J., Papley C. G., Griffiths H. New techniques in satellite altimeter tracking systems IGARSS'86: Remote Sens. Today's Solut. Tomorrow's Inf. Needs. Proc. Symp., Zurich, 8-11 Sept., 1986. Vol. 3. Paris. 1986, p. 1339-1344.

26. Abadie J., Lamboley M., Raizonville P., Dumont J. P. "Poseidon" radar altimeter description and signal processing IGARSS'87: Int. Geoscians and Remote

27. Sens. Symp., Ann Arbor, Mich., May 18-21, 1987, vol. 1, New York, N. Y. 1987, p. 153-160.

28. Baskakov A.I., Kalinkevitch А.А., Kutuza B.G., Terehov V.A. Simultaneous Radiometric and Radar Altimetic Measurements of Sea Microvave Signatures. ШЕЕ Journal of Ocean Engineering, vol. OE-9, 1984, p.325-328.

29. Гарнакерьян А.А., Сосунов A.C. Радиолокация морской поверхности. Издательство Ростовского университета, 1978, 144с.

30. Weissman D.E. Two frequency radar interferomrtry applied to the measurement of ocean wavehight. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. AP-21, № 5, Sept. 1973, p. 649-656.

31. Weissman D.E., Johnson J.W. Dual frequency correlation radar measurements of the height statistics of ocean waves. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. AP-25, 1977, pp. 74-83.

32. Арманд H.A., Башаринов A.E., Шутко A.M. Исследование природной среды радиофизическими методами. Известия высших учебных заведений. Радиофизика, т. XX, №6, 1977, с.809-841.

33. Баскаков.А.И, Ка Мин-Хо, Терехов.В.А. Оценка ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции отраженных сигналов при надирном синтезировании апертуры антенны. М.: Радиотехника, 2006, № 12, с. 37-41.

34. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 320 с.

35. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. Л.: Судостроение, 1966, 256с.

36. Давидан И.Н. и др. Вероятностные характеристики волнения, методы их анализа и расчета. -Сб. науч. Тр./ГОИН АН СССР, вып. 97, 1971, 188с.

37. Баскаков А.И. Прецизионный океанографический радиовысотомер космического базирования. Издание МЭИ(ТУ), 1994, 75 с.

38. Терехов B.A., Баскаков А.И., Гагарин С.П., Калинкевич A.A., Океанографические исследования с помощью радиовысотомера и поляризационного радиометра. Тезисы докладов. 5-й Всесоюзный семинар ГОИН, ВДНХ, Москва, 1983, с. 15

39. Цветков Э.И. Нестационарные случайные процессы и их анализ. М.: Энергия, 1973, 129 с.

40. Радиолокационные устройства. Теория и принцип построения / Под ред. В.В. Григорина-Рябова. М.: Советское радио, 1970, 680 е.

41. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М., Советское радио, 1977, 448 с.

42. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами./ Под общей ред. М. Абрамовича и И. Стриган. М.: Наука, 1979, 830с.

43. Баскаков А.И., Терехов В.А., Жутяева Т.С. Анализ технических характеристик прецизионного орбитального радиовысотомера в задачах дистанционного зондирования природной среды. Отчет по НИР, гос. регистрация №01930001659, кафедра РТП, МЭИ,1993, 62с.

44. Баскаков А. И., Гришечкин Б. Ю. Анализ корреляционной функции отраженного сигнала космического прецизионного радиовысотомера. Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2007. Вып.1, стр. 53 — 62.

45. Бакут П.А. и др. Вопросы статистической теории радиолокации. Том2/ Под общ. ред. Г.П. Тартаковского. М.: Сов. Радио, 1964, 1079с.

46. Терехов В.А., Гришечкин Б.Ю., Баскаков А.И. Потенциальная точность оптимального дискриминатора для измерения степени взволнованностиморской поверхности с борта космического аппарата. Радиотехнические тетради. Изд-во МЭИ, 2008. №37, с. 65 69.

47. Jason-1: a focus on the Poseidon-2 altimeter and on some science results of the mission Radar 2004: International Conference on Radar Systems, Toulouse, 18-22 Oct., 2004. Piscataway (N. J.): IEEE 2004, p. 140-145.

48. Егоров B.B., Ka Мин-Хо. Вопросы точности аэрокосмической альтиметрии. Исследование Земли из космоса, 2005, № 5, с. 48-55.

49. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. Под ред. В.Т. Горяинова. М.: «Радио и связь», 1988, 304с.

50. Терехов В.А., Баскаков А.И., Некрасова О.В. Обработка данных РВ AMC «Венера-15», «Венера-16». Тезисы докладов. НТК МЭИ, 1985, с. 27.

51. Богомолов А.Ф., Баскаков А.И., Скрыпник Г.И., Терехов В.А. Предварительные результаты обработки радиовысотомерной информации AMC «Венера-15», «Венера-16». Науч. труды МЭИ, Межвуз. сборник трудов, вып.71, 1985, с. 6-14.

52. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Уч. для вузов. М.: Энергия, 1978, 528 с.

53. Терехов В.А. Надирный двухчастотный радиоинтерферометр с синфазной антенной решеткой для оценки состояния взволнованности морской поверхности с борта малого КА. Радиотехнические тетради, №34, 2007г., с.53-60.

54. Радиолокационные методы исследования Земли / Под ред. Ю.А. Мельника. М.: Сов. Радио, 1980, 264 с.

55. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972, 424 с.

56. Радиотехнические системы. / Под ред. Ю.М.Казаринова: Учебник для высших учебных заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2008,592 с.

57. Маккорд X.JI. Энергетические соотношения для PJIC с синтезированием апертуры. ТИИЭР, т. 68, №3, март 1980, с. 139-140.

58. Синицын Ю.П., Переслегин C.B. Потенциальная точность и оптимальный алгоритм восстановления мезомасштабного рельефа морской поверхности космическим радиолокатором бокового обзора. Исследование Земли из космоса, 2000, №1, с. 51-57.

59. Переслегин C.B. Задача восстановления мезомасштабного поля уровня океана методами космической радиолокационной фазометрии. Исследование Земли из космоса, 1996, №5, с. 14-24.

60. Терехов В.А. Потенциальные точностные характеристики двухчастотного радиоинтерферометра космического базирования. Радиотехнические тетради, №35, 2007, стр. 36-39.

61. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991, 608 с.

62. РЛС предупреждения столкновения самолета с посторонними объектами при маневрах на аэродроме. Бюл. №31 от 10.11. 2002г. Патент: 1Ш 2192653 С1, 36 с. Авторы: Баскаков А.И., Терехов В.А., Гусевский В.И.

63. Список принятых сокращений

64. АКФ — автокорреляционная функция;

65. АРУ — автоматическая регулировка усиления;

66. АЦП аналого-цифровой преобразователь;

67. АФУ — антенно-фидерное устройство;

68. БПФ быстрое преобразование Фурье;

69. БУС — блок управления и синхронизации;

70. ВД временной дискриминатор;

71. ВКФ взаимная корреляционная функция;1. ВО — временная область;1. Д — детектор;

72. ДАФ — двумерная автокорреляционная функция;

73. ДЗЗ — дистанционное зондирование Земли;

74. ДНА диаграмма направленности антенны;

75. ДОР диаграмма обратного рассеяния;

76. ДЧК двухчастотный коэффициент корреляции;

77. ДЧКФ — двухчастотная корреляционная функция;

78. ДХ дискриминационная характеристика;

79. ИСЗ — искусственный спутник Земли;1. КА — космический аппарат;

80. KBJI — коэффициент волнения;

81. КНД коэффициент направленного действия;1. JIA летательный аппарат;1. ЛДОР локальная ДОР;

82. ЛЧМ — сигнал с линейной частотной модуляцией;1. MB морское волнение;

83. МКА малый космический аппарат;1. МП — морская поверхность;

84. MPC — многочастотный радиоинтерферометр-скаттерометр; ПРМ приемник;

85. ПРВ прецизионный радиовысотомер; ПРД - передатчик; ПФ - полосовой фильтр;

86. РЛС радиолокационная станция;

87. РЛИ радиолокационное изображение;

88. РСА радиолокатор с синтезированной апертурой антенны1. СВЧ сверхвысокие частоты;

89. СКО — среднеквадратичная ордината (морских волн); СП — специализированный цифровой процессор; С/Ш сигнал/шум; СФ - согласованный фильтр;

90. СЦВМ специализированный цифровой вычислитель;

91. ФАР — фазированная антенная решетка;1. ФД —фазовый детектор;

92. ФН функция неопределенности;

93. ФСС формирователь следящих стробов;

94. ФХ — флуктуационная характеристика;40 частотная область;

95. ЭПР эффективная площадь рассеяния;

96. МЭИ(ТУ) .профессор, д.т.н.1. СЛЯК013-Нт&—-2011 г.1. АКТо внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Терехова В.А.

97. Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ» в учебный процесс Московского энергетического института (технического университета)

98. Директор ИРЭ, к.т.н. доцент

99. Заведующий кафедрой РТП, д.т.н. профессорг—71. В.Н. Замолодчиков1. А.И. Баскаков

100. Открытое акционерное общество

101. Начальник лаборатории, к.т.н .^ Брагин И.В./

102. Главный научный сотрудник, д.т.н. \/^^М^ТУусевский В.И./

103. Стаоший научный сотрудник , / Савин Б.Н./

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00