Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования 9
1.1 Пространственная структура и эколого-морфологические особенности растительного покрова земной поверхности 9
1.2 Сравнительная характеристика эффективности различных методов получения первичной информации в информационно-измерительных системах дистанционного зондирования растительных сред 13
1.3 Анализ существующих методов моделирования распространения электромагнитных волн в растительности 16
ГЛАВА 2. Физико-математическая модель распространения электромагнитных волн в растительной среде 31
2.1 Обобщенная физико-математическая модель растительной среды 31
2.2 Плоскослоистая модель растительной среды 37
2.3 Дифракционные компоненты электромагнитного поля 42
ГЛАВА. 3 Экспериментальные исследования ослабления электромагнитных волн укв диапазона в растительной среде 64
3.1 Обоснование целей и задач экспериментальных исследований... 64
3.2 Измерительная аппаратура и порядок проведения экспериментальных исследований 67
3.3 Результаты экспериментальных исследований 70
ГЛАВА 4. Метод расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем укв диапазона в растительных средах 85
4.1 Энергетическая оценка интенсивности принимаемого электромагнитного излучения в слое леса 85
4.2 Уточнение электрофизических параметров модели лесного массива 89
4.3 Метод расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем УКВ диапазона 95
ГЛАВА 5. Радиолокационная информационно- измерительная система обнаружения движущихся целей в растительных средах 99
5.1 Расчет энергетических характеристик радиолокационной информационно-измерительной системы 99.
5.2 Оценка разрешающей способности и точности определения координат по дальности и направлению 105
5.3 Экспериментальный образец радиолокационной информационно-измерительной системы 107
Заключение 111
Библиографический список
- Сравнительная характеристика эффективности различных методов получения первичной информации в информационно-измерительных системах дистанционного зондирования растительных сред
- Плоскослоистая модель растительной среды
- Измерительная аппаратура и порядок проведения экспериментальных исследований
- Уточнение электрофизических параметров модели лесного массива
Введение к работе
Актуальность проблем і л. В настоящее время созданы информационно-измерительные и управляющие системы обнаружения, распознавания, сопровождения и измерения координат наземных объектов. К их числу относятся акустические, оптические, сейсмические, магнитные и электромагнитные датчики. Управление и передача информации в данных системах осуществляется по проводным, оптическим и радиоканалам. Большинство из них работают в стандартных средах, где характеристики каналов регистрации или управления давно изучены и имеют канонические методики расчета.
Однако техногенные катастрофы последнего времени в России и мире, события в Чеченской республике показали, что в аномальных условиях и средах эффективность работы целого ряда систем оказалась весьма низкой. Поэтому появилась необходимость разработки перспективных систем нового поколения, которые могут работать в новых условиях. Для создания таких систем необходимы методы расчета каналов передачи и приема информации с учетом затухания и искажений сигналов в средах различного типа.
Одним из перспективных направлений в промышленности являются работы по созданию нового ряда информационно-измерительных систем (ИИС) дистанционного экологического мониторинга лесных массивов, систем тушения пожаров и охраны промышленных объектов (нефтепроводы, АЭС) работающих внутри или на окраине лесного массива.
В этой связи представляется актуальной задача исследования влияния растительной среды на энергетические характеристики каналов управления и передачи информации ИИС.
Объектом исследования являются информационно-измерительные системы, факторы влияющие на их дальность действия, информативность и точность измерения.
Предметом исследования являются энергетические характеристики информационно-измерительной системы в растительных средах.
Цель и задачи исследования снижение стоимости и сроков разработки информационно-измерительных систем, для чего необходима оценка влияния растительной среды на эффективность их работы и разработка метода расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем в растительных средах. Для достижения цели работы в диссертации поставлены следующие задачи:
Создание физико-математической модели, позволяющей рассчитать величину ослабления электромагнитной энергии в растительной среде;
Создание измерительной установки, методики проведения и обработки измерений величины ослабления зондирующего сигнала ИИС в растительной среде;
Составление банка данных величин ослабления зондирующего сигнала ИИС, для различных типов растительных сред и выявление основных факторов определяющих ее величину;
Разработка метода расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем, работающих в растительных средах.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модель плоского однородного диэлектрического слоя с потерями, описывающая электрофизические свойства растительной среды и характер затухания электромагнитной энергии излучаемой ИИС;
Банк данных величин ослабления электромагнитной энергии УКВ диапазона в лесном массиве в виде таблиц и графических зависимостей;
Метод расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем, работающих в растительной среде;
Методика проведения и обработки измерений ослабления сигнала электромагнитного излучения ИИС, работающей в растительной среде.
Методы исследований. Для получения основных теоретических результатов применялись методы математической физики, теории дифференциальных и интегральных уравнений, методы теории функций комплексной переменной, а для обработки полученных экспериментальных данных использовались статистические методы обработки результатов эксперимента.
Научная новизна. В результате выполнения работы:
Разработан метод расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем, учитывающий специфику передачи электромагнитного излучения в растительной среде;
Разработана электродинамическая модель, описывающая электрофизические свойства растительной среды и характер затухания зондирующего сигнала ИИС;
Экспериментально получены зависимости величины затухания зондирующего сигнала ИИС УКВ диапазона в лесном массиве от дальности, частоты зондирования, характеристик лесного массива.
Практическая ценность. Созданный метод расчета позволяет разработчикам без проведения трудоемких экспериментальных измерений и дорогостоящего макетирования рассчитать требования к приемопередающей системе ИИС дистанционного зондирования (мощность передатчика, частота излучения, чувствительность приемника) для обеспечения необходимой дальности действия, точности измерения и передачи информации в растительной среде.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в виде алгоритмов расчета радиолокационных систем для обнаружения движущихся целей в растительности в рамках ОКР «Левкой»,
ОКР «Арагви» ОАО «НИИ «Стрела» и в учебный процесс ТулГу. Материалы использованы в отчете о научно - исследовательской работе «Исследование и разработка основ анализа и синтеза систем наземной локации» // Отчёт о НИР/ ТулГу - Т02-02.4-485: ЖТ. 22101 инв. №1183312 - Тула, 2003. С. 51-68.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях:
XVI Научная сессия, посвященная дню радио и 70-летию ТГУ, г. Тула, 1999г.;
Всероссийская молодежная конференция «Гагаринские чтения», г. Москва, 2000г.;
Научно-техническая конференция ТАИМ, г. Тула, 2000г.;
Научно - техническая конференция молодых специалистов, аспирантов и студентов. «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», НТО «Оборонпром», Тула, 2001г.;
Всероссийская молодежная конференция «Гагаринские чтения» г. Москва, 2001г.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы наземной радиолокации», г. Тула, 2002г.;
VIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2002), г. Воронеж, 2002г.;
Научно-техническая конференция ТАИИ, г. Тула, 2003г.;
IX Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2003), г. Воронеж, 2003г.;
Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 публикациях, включающих 8 статей, 5 тезисов докладов на всероссийских НТК
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 120 страницах основного текста и содержащих 49 рисунков, 30 таблиц, списка литературы из 85 наименований.
Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертации научной проблемы, изложена структура диссертации и кратко раскрыто содержание ее разделов.
В первой главе производится анализ существующих решений по данной проблематике и по смежным направлениям научных исследований, по результатам которого уточняются цели и задачи исследований.
Во второй главе представлена модель растительной среды, получены аналитические выражения для компонент электромагнитного поля образующихся в результате дифракции сферической волны на фанице раздела двух диэлектрических сред.
Третья глава посвящена измерениям величин ослабления электромагнитной энергии зондирующего сигнала ИИС внутри растительной среды и выявление основных факторов определяющих ее величину.
В четвертой главе проведен анализ компонент электромагнитного поля участвующих в передачи энергии в слое, выбор из них доминирующей, производится уточнение электрофизических параметров лесного массива. Представлен метод расчета энергетических характеристик информационно-измерительных систем, работающих в лесном массиве.
В пятой главе описывается использование разработанного метода расчета
энергетического потенциала радиолокационной информационно-
измерительной системы расположенной внутри лесного массива для обеспечения дальности и точности измерения координат и представлены результаты испытания макета радиолокационной информационно-измерительной системы УКВ диапазона.
Сравнительная характеристика эффективности различных методов получения первичной информации в информационно-измерительных системах дистанционного зондирования растительных сред
Акустические сигналы нашли широкое применение в системах измерения свойств упругих, жидких и твердых сред. Однако применение таких сигналов для измерений в растительной среде наталкивается на целый ряд трудностей. Лесной массив можно рассматривать в качестве композиционной среды, состоящей из смеси воздуха и древесины. Анализа данных свойств лесных массивов показал, что деревья занимают относительно небольшую часть общего объема среды (по различным оценкам доля общего объема смеси занятой листвой и ветвями не превышает 7 10" ). Поэтому, негативные факторы атмосферы: турбулентности воздушных потоков, перепады температуры и влажности, наличие помех значительно снижает потенциальную точность измерительной системы в растительности.
Расчеты показали, что плотность композитной среды (р) будет составлять 5,6 Ю"3 г/см3, что немногим больше плотности воздуха при температуре 20 С р=1,29 10" г/см . Следовательно, звуковые и ультразвуковые волны будут испытывать в растительности практически такое же затухание как в воздушной среде (для частоты 50 КГц коэффициент поглощения ультразвука составляет 2 дБ/метр).
Таким образом, нецелесообразно применение акустического метода дистанционного зондирования в ИСС, работающих в растительной среде.
Перспективным ИИС является информационно-измерительные системы с зондирующими сигналами оптического и СВЧ диапазонов. Высокая направленность, прямолинейность зондирующего излучения, наряду малыми массогабаритными показателями антенных систем лазерных, оптических и СВЧ ИИС позволяет реализовать высокие точность измерения пространственных координат объекта измерения. Однако, наряду с преимуществами данные ИИС имеют существенные недостатки, обусловленные в основном рассеянием оптического излучения при его распространении в различных средах: трудности реализации высокой угловой разрешающей способности ИИС ввиду углового расширения зондирующего пучка, а также трудности выделения полезного сигнала в фотоприемнике (СВЧ приемнике) из-за помехи обратного рассеяния.
Применение ИИС с сигналами электромагнитных волн оптического и СВЧ диапазона для зондирования растительной среды показало, что наличие неоднородностей (листва, ветви и т.д.) вызывает значительную пространственную диффузию энергии оптического и СВЧ излучения в направлении от оси излучения. Эксперимент показал, величина погонного ослабления для волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов в растительности составляет 1-10 дБ/метр.
Потому созданным наземным радиолокационным информационно-измерительным системам использующим электромагнитные волны миллиметрового и сантиметрового диапазонов присущ недостаток, цель находящаяся в лесном массиве остается необнаруженной.
На рис. 1а представлен фрагмент топографической карты с растительными образованьями и поля «невидимости» - рис. 16, рассчитанные для случая подъема радиолокационных ИИС на большую высоту. Из рисунка видно, что поля «невидимости» практически совпадают с контурами лесных массивов, это подтверждается результатами экспериментальных исследований [1,2,51].
Для построения ИИС, работающей в растительной среде целесообразно применить метровые (м) или дециметровые (дм) волны, которые ослабляются значительно меньше. Однако сильная интерференция прямой и отраженной от поверхности земли электромагнитной энергии излучаемой передатчиком ИИС, могут существенно снизить технические характеристики информационно-измерительных систем.
Данная проблема у нас в стране считалась не актуальной и до настоящего времени оставалась не изученной в приложении к радиолокации. В связи с началом антитеррористической операцией на Северном Кавказе и угрозой терроризма особо важным объектам возникла необходимость в создании радиолокационного информационно-измерительного комплекса эффективно работающего в лесном массиве.
Плоскослоистая модель растительной среды
В настоящей работе лесной массив, представляется полубесконечной диэлектрической пластиной с диэлектрической проницаемостью - S2, магнитной проницаемостью - Ц2 и проводимостью 5г офаниченной по оси Oz снизу земной поверхностью с 8з Цз &з, а сверху воздушной средой с Єї JLLI рис. 2.2.
Рассмотрим геометрию пластины. .z 1 ВОЗДУХ i щ Но- высота передатчика над земной поверхностью в метрах. Передатчик расположен на высоте Но, над земной поверхностью и предполагается состоящим из вертикального элементарного малоточного элемента с электрическим моментом Раї =1 1. Рассмотрим электродинамические параметры трех сред. Параметры воздушной среды нижнего слоя атмосферы можно приближенно принять єа«єо, ц. а Ц о, где єа- абсолютная диэлектрическая проницаемость, u. а- абсолютная магнитная проницаемость, со -электрическая постоянная, е0 =8,854 10 Ф/м, ц0- магнитная постоянная, и.0=1,256 10 Гн/м.
В земных условиях волны распространяются над той или иной подстилающей поверхностью (почва, скальный грунт, лес, пресная или морская вода, лед и т.д.). Все эти материальные среды являются практически немагнитными, и их относительная магнитная проницаемость U2, Цз с достаточной для практики точностью может считаться равной единице [11].
Для описания параметров леса и земной поверхности воспользуемся комплексной абсолютной диэлектрической проницаемостью єа, запишем ее в общем виде са=є с0=єа-і— (2.11) со v Где, co=2itf- круговая частота,
Параметры леса и земли є, т являются несколько критическими и, к сожалению, имеется слишком ограниченное число сведений, касающихся их действительных значений, это связано с биологическими характеристиками сред, которые могут зависеть от типа растительности, времени года, климатического пояса, частотного диапазона. Как показывают эксперименты, оба эти параметра подвержены частотной дисперсии, которая, однако, выражена достаточно слабо. В табл.2.1 приведена сводка результатов — экспериментальных исследований взятых из различных источников.
3. Параметры земной поверхности для сухой почвы практически совпадают с параметрами леса, следовательно, при моделировании распространения электромагнитных волн в лесной зоне можно перейти от модели диэлектрического слоя к модели распространения волн на границе раздела двух сред воздух-диэлектрик с потерями.
Поле Есум и Нсум (в точке Р) расположенной на расстоянии V от источника будет определяться как суперпозиция всех волн создаваемых первичными (в нашем случае элементарный электрический диполь в точке Q) Чи Нп и вторичными (границы раздела 1-2 и 2-3) в\2, А?23и HeU s е23 источниками (рис.2.3).
Рассмотрим вклад в суммарное поле в точке наблюдения каждой из компонент. Тогда от модели представленной на рис.2.3 можно перейти рассмотрению двух самостоятельных задач: 1. Электрический диполь, расположенный в диэлектрике с малыми потерями со sa2 »ст2 на удалении от плоской границы раздела с воздухом; 2. Электрический диполь, расположенный в диэлектрике с малыми потерями со а2»&2 на удалении от плоской границы раздела с диэлектриком с малыми потерями & аз» 3з (случай «сухая почва» табл. 2.1) или с проводником У в3«стз (случай «влажная почва» табл. 2.1);
Радиолокационные информационно измерительные системы работают на дальностях значительно превышающих линейные размеры антенной системы, следовательно, приемо-передающую антенную систему можно считать точечной. Тогда согласно принципу Гюйгенса при решении задачи о дифракции электромагнитной волны на границе раздела двух сред необходимо учитывать сферичность излучаемых волн.
В теории распространения электромагнитных волн, как правило, надо учитывать конечную удаленность источника волн как от приемника, так и от границ раздела сред. Классической такого рода является задача о поле точечного излучателя, расположенного на конечном удалении от плоской границы раздела двух однородных сред. Другими словами, это задача об отражении и преломлении сферической волны. Ей и будет посвящена настоящая глава. Впервые эту задачу для электромагнитных волн сравнительно полно рассмотрел А. Зоммёрфельд. В дальнейшем появились фундаментальные работы Вейля, В, А. Фока, М. А. Леонтовича, М. А. Леонтовича и В. А. Фока, А. Баньоса.
Ниже будем следовать в основном работе [13]. При помощи изложенного в ней метода можно с единой точки зрения исследовать случаи излучателя на границе раздела и поднятого излучателя, случай умеренной и большой проводимости одной из сред, и т. д. Этим же методом удается решить задачу о преломлении сферических волн. Основой метода является использование и дальнейшее развитие предложения Вейля о разложении сферической волны на плоские. Мы будем рассматривать лишь случай гармонической волны.
Измерительная аппаратура и порядок проведения экспериментальных исследований
Для измерений величин ослабления электромагнитной энергии внутри растительной среды, был создан измерительный комплекс, который включал в себя: - три калиброванные передающих системы, излучающие электромагнитную энергию на различных частотах УКВ диапазона, для измерения частотной зависимости величины ослабления сигнала в растительной среде; - переносной комплект измерительной приемной аппаратуры, для определения зависимости величины ослабления зондирующего сигнала от дальности удаления приемной системы от передающей; - комплект подъемно-мачтовых устройств антенн передающей системы, для измерения зависимости величины ослабления сигнала внутри лесного массива от высоты подъема передающей или приемной антенной системы над земной поверхностью.
Технические характеристики передающих станций: 1. fo = 150 МГц, Рп=2,5 Вт, Gn=2nB, Н„=3,5 м, антенна - симметричный вибратор, вид сигнала - непрерывный без модуляции, вертикальная поляризация; 2. fo = 235 МГц, Р„=8 Вт, Gn =10дБ, Н„=3,5 м, антенна логопериодическая, вид сигнала - непрерывный без модуляции, вертикальная поляризация, 3. fo = 450 МГц, Рп=1,6 Вт, Gn=\2uB, Нп=3,5 м, антенна логопериодическая, вид сигнала - непрерывный без модуляции, вертикальная поляризация, где fo- рабочая частота передающей станции, Рп - средняя мощность излучения передающей системой, Gn,Gnp - коэффициент направленного действия передающей/приемной антенной системы, Нп, Нпр - высота подъема передающей/приемной антенной системы.
Технические характеристики измерительной системы: Антенная система: Высота подъема измерительных антенн (Нпр) - 1,5 м DP1/ATR1- набор полуволновых диполей на диапазон частот 26-300 МГц, Gnp =2,148 дБ LPA1/ ATR2 - логопериодическая антенна на диапазон частот 300-1000 МГц, Gnp =10 дБ Селективный приемник SMW-8.5: Частотный диапазон - 26 -f 1000 МГц, Чувствительность - 1мкВ, Динамический диапазон - 125 дБ Входное сопротивление (Z) -50 Ом Погрешность показания прибора в зависимости от температуры окружающей среды и режимов работы - 1-т-З дБ, Ширина полосы пропускания (AfmM)- 120 КГц Методика проведения экспериментальных исследований. 1 Выбор трассы, на которой будет производиться измерения 2 Осуществляется калибровка передающей и приемной аппаратуры 3 Передающая аппаратура располагается в начале трассы и не перемещается на протяжении всего эксперимента. 4 Для снятия дальностных срезов (R-var) используется переносной комплект приемной аппаратуры, с помощью которого измеряется напряженность электрического поля на контрольных точках. 5 Составление матрицы данных. 6 Фиксирование информации об условиях эксперимента. Измерения уровня напряженности электрического поля проводились на трех частотах УКВ диапазона: 150 МГЦ, 235 МГЦ и 450 МГЦ.
Производилась разметка пути движения цели в направлении максимума излучаемой энергии передающей системой, на контрольных точках замерялся уровень электромагнитного поля.
ЭДС, наводимая в приемной антенне, подается на вход измерительного приемника, величина напряжения регистрируется по индикаторному прибору в децибелах (дБ) относительно 1мкВ.
Следует отметить, что передающие станции работали «на просвет», т.е. передающая антенна находилась ниже или на уровне верхней кромки леса. На рис. 3.2 приведена схема эксперимента.
Уточнение электрофизических параметров модели лесного массива
Результаты теоретических исследований показали, что электромагнитные волны УКВ диапазона испытывают значительное затухание в лесном массиве, вследствие чего передача энергии за счет прямого распространения возможна в дм и м диапазоне на расстоянии не более 100 м, далее работает второй конкурирующий механизм. Однако, не следует переоценивать значимость этого механизма передачи энергии, т.к. лишь малая часть электромагнитных волн приходящих от излучателя (ИИС) или отражателя (цель) к границе раздела «лес-воздух» под углами больше угла полного внутреннего отражения распространяются так.
Из рис. 4.4 видно, что в ДМВ диапазоне малая часть энергии переносится за счет механизма «боковой» волны, поэтому для обеспечения эффективной работы информационно-измерительной системы внутри лесного массива требуется дополнительный энергетический потенциал компенсирующий потери в лесном массиве. С физической точки зрения это может быть объяснено тем, что структура лесного массива в дм диапазоне по отношению к длине волны становится менее однородной и доля когерентной составляющей электромагнитного поля, за счет которой происходит передача энергии, становится меньше. Следовательно, значительное увеличение дальности возможно лишь за счет перехода в метровый диапазон, однако это повлечет возникновение трудностей:
Спецификой радиолокационных ИИС является выделение полезного сигнала от цели на фоне местности, по частотному признаку (в основе лежит эффект Доплера) однако из-за низких доплеровских частот, для обеспечения качественной селекции целей необходимо высокое частотное разрешение радиолокационной ИИС; пусть средняя длина волны излучаемых ВЧ колебаний равняется Х=0.61 м, тогда для цели движущейся со скоростью 3 км/ч спектр доплеровских частот лежит в диапазоне 2ч-ЗГц; в метровом диапазоне (1=6 м), значения доплеровских частот будет на порядок меньше; - обеспечение разрешающей способности по азимуту, которое связано либо с увеличением апертуры антенны, либо с использованием режима синтезирования апертуры; в первом случае действуют чисто конструктивные ограничения; во втором случае должна обеспечиваться требуемая скорость носителя и его точная навигация, что для наземных РЛС не реализуемо.
Из приведенных рассуждений следует, что в разрабатываемой радиолокационной ИИС наиболее целесообразно использовать зондирующий сигнал дециметрового диапазона. Из рис. 4.6 видно, что энергия подающей и отраженной волны зависит от высоты расположения передающей и приемной антенн по отношению к высоте леса. Затухание уменьшается при увеличении высоты подъема антенн. Поэтому для получения максимальной дальности действия радиолокационной системы УКВ диапазона, расположенной внутри лесного массива, целесообразно передающую и приемную антенны располагать ближе к верхней кромке леса. Для оценки энергетики радиолокационной ИИС воспользуемся разработанным методом только представим выражение (4.19) в следующем виде: Q-Gn-Gw= К\ (5.1) где Q -энергетический потенциал системы; 101 c/n - соотношение сигнал /шум; R - дальность; Sn - эпр цели; X - длина волны; К- дополнительное затухание электромагнитных волн в растительности; Gn, Gup - коэффициент усиления передающей и приемной антенн; Эп - энергия передаваемого сигнала;
Эщ, - энергия принимаемого сигнала. Эта запись более удобна, поскольку при оптимальной обработке величина Эпр не зависит от формы сигнала, определяемой видом огибающей и способом его внутриимпульсной модуляции. В данной форме оно показывает требования к передающей, приемной системе, системе первичной обработки информации (СПОИ) и АФС (левая часть уравнения) для обеспечения обнаружения объекта с ЭПР (Su) на дальности (R) с заданной вероятностью (Роб, Рлт — F(s/n)) внутри лесного массива, в котором электромагнитные волны испытывают дополнительное затухание (К).
Для снижения требований к мощности передающего устройства необходимо обеспечить максимальный коэффициент усиления антенн. Однако он ограничивается допустимыми габаритами антенн. Поэтому в качестве отправной точки при разработке ИИС зададимся приемлемыми размерами АФС.
Пусть максимальная площадь раскрыва антенны не должна быть более 1.6 х 1.6 м . Тогда коэффициент усиления антенны для X—0,67м будет равен [43]:
