автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Высокоинформативные СВЧ радиометрические системы



/

г" ? * ^ /и ■V оМ//

г

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГ^ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МУРОМСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

С ^ kl.fi. 7 [VI

м ; ' "шсыие от

(К

О

' кр^су^^л ученую П,

..........................

На правах рукописи

Начальник у правлен ия^В А К УДК 551 ;5

Фалин Валерий Владимирович ВЫСОКОИНФОРМАТИВНЫЕ СВЧ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.12.04 - Радиолокация и радионавигация Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Доктор физико-математических

наук, профессор Г. Г. Щукин

Муром 1998

Содержание

Введение 5

1 Достоверность и информативность радиометриче- 15

ских измерений

1.1 Информативность измерений и чувствительность радиометров

1.2 Чувствительность и точность радиометра 21

1.3 Факторы, определяющие чувствительность идеальных 23 радиометрических приемников

1.4 Ограничение чувствительности действием внутренних 28 дестабилизирующих факторов

1.5 Достоверность радиометрических измерений в условиях 35 внешних дестабилизирующих врздействий

2 Информационные возможности многомерных ра- 58

диометрических измерений

2.1 Оценка потенциальной информативности многомерных 59 радиометрических измерений

2.2 Пассивное радиометрическое зондирование атмосферы 65

2.3Пассивно-активное радиолокационное зондирование 75

атмосферы

2.4 Радиометрические измерения с поляризационным 83 анализом

2.5 Метод радиопросвечивания в измерениях параметров 100 осадков

2.6 Совокупные измерения радиотеплового излучения и 112

ослабления радиоволн в облаках с осадками

3 Анализ и синтез принципов построения СВЧ- радио- 123

метров с повышенной информационной производительностью

3.1 Повышение точности определения информационной компо- 125 ненты сигнала в компенсационных радиометрах

3.2 Структурная оптимизация модуляционных радиометров 143

3.3 Осуществление принципа модуляционного измерения в ра- 166 диометре без модулятора во входной цепи

3.4 Использование корреляционной обработки сигналов для по- 191 вышения информативности измерений

4 Разработка и анализ принципов построения радио- 201 метрических систем с разрешением информационной составляющей входного сигнала

4.1 Радиометрическая система с компенсацией аддитивной ком- 203 поненты фонового излучения подстилающей поверхности

4.2 Радиометрическая система с компенсацией помехонесущих 213 сигналов шумового излучения антенны

4.3 Метод пространственного разрешения в формировании ком- 218 пенсационного сигнала

4.4 Радиометрическая система адаптивная к изменяющимся ус- 231 ловиям измерений

5 Радиометрические системы для многомерных из- 244 мерений

5.1 Многоволновые пассивные радиометрические системы 245

5.2 Радиометрические системы с поляризационным анализом 263

/

5.3 Радиометрические системы с радиопросвечиванием " 275

5.4 Принцип построения пассивной радиометрической системы, 284 обеспечивающей измерение дальности

6 Анализ и синтез пасссивно - активных радиометри- 290 ческих систем

6.1 Пассивно-активные радиометрические системы с квазине- 291 прерывным режимом излучения

6.2 Пассивно-активные радиолокационные системы 307 7.Принципы построения автоматизированных пас- 350

сивно-активных радиометрических систем

7.1. Радиометры с встроенной микро-ЭВМ 351

7.2 Автоматизированная ПАРЛС на базе РЛС "Гроза" 355

8 Анализ и разработка принципов калибровки радио- 369 метрических систем

8.1 Калибровка активного канала ПАРЛС 370

8.2 Калибровка пассивного канала радиометрической системы 403 Заключение 421 Список литературы 426

Введение

Радиолокация и СВЧ радиометрия как вид измерений все шире внедряется в различные сферы технологической деятельности человека. Роль таких измерений особенно велика там, где прямые измерения либо невозможны, либо погрешность прямых измерений очень велика. Возможность оперативного получения информации о физическом состоянии объектов, находящихся на значительном удалении, делает незаменимым этот вид измерения в дистанционном зондировании.

Важнейшим объектом дистанционного зондирования являются облака и осадки. Облачный покров, а также связанные с ним осадки оказывают огромное влияние на многие стороны экономической деятельности человека. Оперативная информация о различных характеристиках облаков: их количестве, высоте границ, водности, наличие осадков, обледенение и др. - широко используются при планировании обслуживания деятельности морского, автомобильного, железнодорожного транспорта и авиации. Например, важнейшим фактором проблемы оценки опасности полетов в зонах осадков является отсутствие достоверной информации о связи водности облаков на высоте полета и интенсивностью выпадающих осадков.

В последние десятилетия обширную информацию об облачных полях получают с метеорологических ИСЗ. Но поскольку облака относятся к числу наиболее изменчивых во времени и пространстве метеоявлений, практически невозможно сведения об облаках, полученные в одном районе, распространить и считать репрезентативными в других районах. Отсюда, наряду с актуальностью разработки аппаратуры для ИСЗ, следует актуальность разработки и исследования методов и аппаратуры дистанционного оперативного контроля за метеорологической ситуацией.

Мощным, с точки зрения информативности, инструментом дистанционного зондирования являются радиометрические системы СВЧ, предназначенные для извлечения информации о физическом состоянии материальных объектов, содержащейся в собственном радиотепловом излучении и в электромагнитных сигналах, отраженных объектами или прошедших через них. Для измерений, проводимых с помощью таких систем характерно следующее:

1) тепловое излучение в микроволновом диапазоне имеет очень слабую интенсивность;

2) имеется значительное число возмущающих воздействий, создающих относительно высокий уровень аддитивных помех, статистически неразличимых с информационным сигналом;

3) высокая требовательность к информационной производительности, вызывающая необходимость извлечения за приемлемое время значительного объема информации при большом числе разрешаемых по пространству, частоте и поляризации элементов;

4) информационным параметром входных сигналов является их интенсивность, что определяет необходимость высокой точности измерения амплитуды в условиях действия внутренних и внешних помех.

По разработке устройств дистанционного зондирования выполнено большое число исследований как в Российской Федерации, так и за рубежом. Такие исследования проводятся в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, Институте экспериментальной метеорологии, Институте космических исследований, Центральной аэрологической обсерватории, ГОСНИЦИПР, Военной инженерно-космической академии им. А.Ф.Можайского и др., а также в некоторых университетах и академиях РФ (Московская государственная академия приборостроения и ин-

форматики, Московский государственный технический университет гражданской авиации и др.).

Однако, проблемы создания высокоинформативной специальной измерительной техники дистанционного зондирования столь сложны и многообразны, что остается много нерешенных вопросов и в частности:

1) современная СВЧ-электроника в принципе позволяет получить флуктуационный порог чувствительности измерительных радиоприемных устройств до 0,05 К, однако пассивные и управляющие элементы входной цепи радиометров построенных по традиционным схемам, сужая полосу рабочих частот и увеличивая потери, препятствуют достижению возможного теоретического предела чувствительности;

2) высокая чувствительность измерительных радиоприемных устройств не обеспечивает высокой точности измерений из-за сильного влияния изменяющихся условий проведения измерений, вызывающих погрешности в несколько раз превышающие флуктуационный порог чувствительности;

3) методически проработаны, инструментально обеспечены лишь те задачи радиометрического зондирования для которых применима база данных априорной информации для конкретной метеорологической ситуации (одно и двухпараметрические задачи зондирования атмосферы), но для обеспечения достоверности дистанционных измерений объектов, характеризуемых большим числом параметров, при минимуме априорной информации (облака с осадками) возникла необходимость разработки методов и аппаратуры, обеспечивающих многомерное пространство сигналов измерительной информации;

4) информационные возможности пассивных радиометрических систем могли бы быть значительно расширены разработкой методов из-

мерений и принципов построения аппаратуры, обеспечивающих оперативное извлечение информации по дальности до зондируемого объекта;

5) комплексное использование методов пассивного и активного радиолокационного зондирования не только дает более полную информацию об исследуемом объекте, но позволяет получить качественно новые оценки, характеризующие его состояние, но требуют решения проблемы обеспечения электромагнитной совместимости и режима работы с полным временным и пространственным совмещением измерительной информации, обрабатываемой в реальном масштабе времени;

6) требования обеспечения высокой степени достоверности результатов измерений определяют необходимость дальнейшей проработки методов и устройств метрологического обеспечения радиометрических измерений.

Решение указанных проблем весьма актуально для дальнейшего совершенствования радиометрических систем дистанционного зондирования.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые

1. Систематизированы принципы построения радиометрических систем и проанализированы их информационные возможности.

2. Разработаны новые принципы построения компенсационных и модуляционных радиометров, обладающих повышенной устойчивостью к внутренним помехообразующим факторам. Впервые предложено осуществлять функцию модуляции для реализации дифференциального метода измерений в преобразователе частоты супергетеродинного приемника радиометра, что существенно упрощает проектирование радиометров миллиметрового диапазона, а также радиометров в микрополосковом исполнении.

3. Разработаны новые принципы построения пассивных радиометрических систем адаптивных к изменяющимся условиям измерений. Впервые разработанные принципы построения радиометрических систем позволяют осуществлять схемную компенсацию действия аддитивных и мультипликативных помеховых компонент входного сигнала.

4. Разработан способ измерения дальности и принцип построения пассивного дальномера.

5. Разработаны принципы построения радиометрических систем, обеспечивающих многомерное поле сигналов измерительной информации. Создан радиометрический комплекс, содержащий многоволновый радиометр, двухволновую установку радиопросвечивания на приземной трассе, активный радиолокатор.

6. Разработаны новые принципы построения активно-пассивных систем, обеспечивающих полное временное и пространственное совмещение сигналов измерительной информации активного и пассивного каналов. Впервые предложено использовать время закрытого входа приемника пассивно-активной РЛС для приема опорного сигнала модуляционным радиометром, построенным по принципу усреднения опорного сигнала, применив в качестве гетеродинного сигнала, просочившийся на вход приемника зондирующий импульс.

7. Разработан принцип построения автоматизированной активно-пассивной РЛС с прямым вводом сигналов измерительной информации активного и пассивного каналов и сигналов угловых координат в память ЭВМ.

8. Впервые разработан способ относительной калибровки активного канала, позволяющий создать реперный сигнал, имеющий общий спектральный базис с зондирующим сигналом из сигнала, просочившегося на вход приемника через устройства защиты.

Цель работы состоит в развитии нового научного направления создания высокоинформативных СВЧ радиометрических систем дистанционного зондирования природной среды.

Ставится задача разработки принципов построения радиометрических систем, обеспечивающих высокую информативность за счет исключения или ослабления действия внутренних и внешних помехообразую-щих факторов, а также за счет создания многомерного пространства сигналов измерительной информации.

Научная обоснованность и достоверность положений работы подтверждается взаимосравнением результатов моделирования и теоретических заключений с данными экспериментальных работ и научных публикаций.

Практическая значимость заключается в том, что в период с 1976 по 1998 г.г. полученные автором результаты по разработке радиометрической аппаратуры систематически включались в отчеты по темам, которые выполнялись по хоздоговорам, проводимым Московской государственной академией информатики и приборостроения (ВЗМИ), с Высокогорным геофизическим институтом, с Институтом океанологии, с Центральной аэрологической обсерваторией (1976-1978 г.г.), а также по договорам, проводимых Муромским институтом (филиалом) Владимирского государственного университета (ВПИ) с Центральной аэрологической обсерваторией (1978-1983 г.г.), с Главной геофизической обсерваторией им. А.И.Воейкова (1982-1990 г.г., 1996-1997 г.г.), в частности проводимых по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды (IV.27a.04,1981-1983; \/.32.д.09, 1981-1983).

Полученные результаты вошли также в отчеты по НИР (госбюджетных), проводимых на кафедре Конструирования и производ-

ства радиоаппаратуры Муромского института ВлГУ под руководством автора. Автором формировались основные принципы и положения работ, и он принимал непосредственное участие в постановке научных задач, планировании экспериментов, создании аппаратурных комплексов, проведения натурных испытаний. Автору принадлежит идея постановки некоторых теоретических задач, участие в анализе и интерпретации результатов расчета, инициативе проведения подавляющего большинства экспериментов, а также основная идея изобретений.

Основные результаты исследований, выполнявшихся в течении 22 лет, представлялись на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: XI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Казань, 25-27 июля 1975 г.), Всесоюзный симпозиум "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 20-21 октября, 1975 г.), XIII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Горький, 30 июня - 3 июля, 1981 г., 2 доклада), Межведомственное совещание по распространению ультракоротких радиоволн и электромагнитной совместимости (Улан-Удэ, 1983 г.), XIV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Ленинград, 10-13 октября, 1984 г., 2 доклада), на конференции Владимирского областного правления НТО РЭС им. А.С.Попова "Антенны и устройства СВЧ. Современное состояние и перспективы развития" (Владимир, 14 мая, 1984 г.), VII Всесоюзное совещание по радиометеорологии (Суздаль, 21-24 октября, 1986 г.), XV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Алма-Ата, 21-24 октября, 1987 г.), Всесоюзная научно-техническая школа "Радиоприемные и усилительные устройства" (Москва, 19-23 сентября, 1987 г., 2 доклада), XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Харьков, октябрь, 1990 г.), II научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной Среды" (Муром, июль,

1992), Шестая Всероссийская научно-техническая конференция "Радиоприем и обработка сигналов", посвященная 75-летию Нижегородской радиолаборатории (Нижний Новгород, 1993 г.), Всероссийская научно-техническая конференция "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" (Владимир, 1994 г.), Международный Харьковский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн" (Харьков, 7-10 июня, 1994г.), Международная научно-техническая конференция "Проблемы радиоэлектроники" (к 100-летию радио), (Москва, 5 апреля, 1995 г.), Международная НТК "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1995 г., 2 доклада), Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1996, 1997, 1998 г.г.), XVIII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (С.-Петербург, 17-19 сентября, 1996 г.), Международная научно-техническая конференция "Радиолокация, радионавигация, связь" (Воронеж, май, 1998 г.), Ежегодные научно-технические конференции Муромского института Владимирского государственного университета (1978-1998 г.г.).

Работа обобщает исследования автора по данной проблеме, содержащиеся в 55 публикациях. По тематике НИР руководимых автором и при его участии в подготовке защищены три кандидатских диссертации.

Основные результаты и положения ди�