Введение к работе
Актуальность темы исследования Радиолокационные наблюдения и измерения, основанные на рассеянии радиоволн гидрометеорами, диэлектрическими неоднородностями воздуха, сопутствующими атмосферным явлениям, частицами аэрозоля, широко применяются в метеорологии В последние годы все большее применение находят радиолокаторы «ясного» неба с узкими вертикально направленными диаграммами для измерения высотного распределения (профиля) параметров ветра в тропосфере
В отличие от контактных методов, дистанционное зондирование позволяет оценивать физический параметр среды, основываясь на теории, связывающей этот параметр с некоторым измеряемым параметром Применительно к задаче оценки скорости ветра измеряемым параметром могут стать свойства рассеянных в турбулентной атмосфере радиосигналов Атмосферный пограничный слой (АПС) характеризуется постоянно флуктуирующими в пространстве и во времени температурой, влажностью и давлением При этом возникают неоднородности коэффициента преломления Размеры этих неоднородностей от нескольких сантиметров до десятков дециметров, таким образом, согласно условию Брэгга, в обратном направлении наиболее эффективно рассеиваются радиоволны УВЧ диапазона Неоднородности движутся в пространстве с некоторой средней скоростью (скоростью ветра), а также имеют случайную (турбулентную) составляющую При облучении неоднородностей передающей антенной на поверхности земли образуется случайная дифракционная картина (ДК)
Извлекать информацию о параметрах ветра из взаимной корреляционной функции (КФ) сигналов, принятых на разнесенные антенны (РА), впервые предложил Б X Бриггс Метод получил название полный корреляционный анализ (ПКА) Основная идея заключается в предположении особой модели для ДК, без обозначения ее связи со статистическими свойствами рассеивающего объема Для объяснения фундаментальных принципов и ограничений данного метода, позднее потребовалось привлечение основ теории динамики турбулентности в пограничном слое термически стратифицированной жидкости и газа А М Обухова и А Н Колмогорова Основные успехи в проблеме распространения и рассеяния волн в турбулентной атмосфере, применительно к задаче дальней тропосферной связи, связаны с работами С М Рытова, В И Татарского и др Базируясь на перечисленных работах, Р Д Довиаком и К Л Холоуэем была предложена теория, связывающая характеристики турбулентно дрейфующей рассеивающей среды с корреляционными свойствами сигналов Гакже, математическая модель коэффициента корреляции отраженных сигналов от протяженных целей любой природы, принятых на две РА, при произвольной форме излучаемых колебаний, с помощью метода наложений в самом общем виде было получена М К Боркус и А Е Черным На основе этого общей модели были проанализированы соотношения для коэффициента взаимной корреляции
применительно к задаче измерения путевой скорости летательного аппарата (ЛА) А А Прасковский и Е А Прасковская предложили концептуально иной инструмент для исследования свойств рассеянных сигналов — структурные функции, которые используются при изучении случайных процессов со стационарными приращениями, более подходящими для описания реальных атмосферных процессов
Изучение и сравнение методов оценки параметров ветра удобно проводить с помощью имитационных моделей Так как атмосферные условия задаются произвольно, то можно изучать точностные характеристики каждого из методов Модели, имитирующие объемное рассеяние путем помещения большого количества подвижных точечных целей в пределах некоторого объема, были предложены Д А Холдсвортом, М И Рейдом, Б Л Чонгом и др
Однако новые задачи, встающие перед радиометеорологией, ужесточают требования к пространственному разрешению локаторов В полной мере реализовать эти требования, с развитием полупроводниковой техники, цифровых методов обработки сигналов, позволяет переход к более простым, дешевым и компактным локаторам с непрерывным излучением Потребовалось установить связь корреляционных свойств частотно-модулированных сигналов, рассеянных в турбулентной атмосфере, с кинематическими параметрами этой среды и разработать алгоритмы оценки параметров ветра на ее основе Для исследования алгоритмов необходимо разработать новую имитационную модель рассеяния радиоволн УВЧ диапазона, учитывающую особенности профилометра с высоким пространственным разрешением
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс извлечения информации о кинематических параметрах рассеивающего объема из радиосигналов Предметом являются модели и методы обработки сигналов ветровыми профилометрами с разнесенными антеннами
Цель диссертационной работы. Разработка моделей для исследования дистанционных многоканальных методов оценки параметров ветра в АПС с высоким пространственным разрешением
Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи
разработаны математические модели корреляционной и структурной функций сигналов с ЛЧМ, рассеянных на турбулентно дрейфующих неоднородностях коэффициента преломления в АПС и принятых на РА,
разработаны алгоритмы оценки параметров ветра по параметрам корреляционных и структурных функций,
разработана имитационная модель объемного рассеяния радиосигналов УВЧ диапазона в турбулентной атмосфере,
исследовано влияние пространственного разнесения антенн, ширины диаграммы направленности (ДН) передающей антенны, длительности зондирования, отношения сигнал/шум (ОСШ), СКО скорости ветра на оценки параметров ветра
Методы исследований Для решения поставленных задач использовались аналитические методы исследования, базирующиеся на математическом и
имитационном моделировании, использованы элементы статистической теории, векторного анализа и теории функций комплексного переменного
Достоверность полученных результатов определяется использованием физически обоснованных математических моделей распространения волн в случайно-неоднородных средах при аналитических исследованиях и подтверждается совпадением результатов при предельном переходе с полученными при применении метода наложений возмущений другими авторами Научная новизна полученных результатов состоит в следующем
Получено в общем виде выражение для коэффициента корреляции рассеянных на турбулентно дрейфующих неоднородностях сигналов с ЛЧМ при произвольном расположении фазовых центров приемных антенн
Получено выражение для структурной функции рассеянных на турбулентно дрейфующих неоднородностях сигналов с ЛЧМ при произвольном расположении фазовых центров приемных антенн
Предложена имитационная модель рассеяния сигналов в АПС, отличающаяся тем, что в ней турбулентность имитируется с помощью «сеток» с заранее просчитанными значениями случайных составляющих скорости ветра
Практическая значимость работы заключается в следующем
Предложены алгоритмы оценки параметров ветра двумя подходами корреляционным и структурных функций
Предложена методика расчета точности скорости ветра, оцененной профилометром с РА, для корреляционного подхода и подхода основанного на СФ
Положения, выносимые на защиту:
Математические модели корреляционной и структурной функций сигналов с ЛЧМ, рассеянных на турбулентно дрейфующих неоднородностях коэффициента преломления в АПС и принятых на РА
Алгоритмы оценки скорости, направления и СКО скорости ветра в АПС профилометром с РА
Имитационная модель объемного рассеяния радиосигналов УВЧ диапазона в турбулентной атмосфере, учитывающая различные атмосферные условия и параметры радиолокатора
Результаты исследования влияния пространственного разнесения антенн, ширины ДН передающей антенны, длительности зондирования, ОСШ, СКО скорости ветра на оценки параметров ветра, полученные с помощью имитационного моделирования временных последовательностей Апробаиия работы Основные результаты и положения исследований
докладывались на III Межрегиональном форуме «Приборостроение-2003» (Екатеринбург, 2003), I Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2004» (Каменск-Уральский, ОАО «УПКБ «Деталь», 2004), IV Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение Электроника Электротехника» (Екатеринбург, 2004), IV
Межрегиональном форуме «Приборостроение-2004» (Верхняя Пышма, 2004), Региональной научно-методической конференции «50 лет радиотехнического образования на Урале», (Екатеринбург, 2004), II Евро-Азиатском форуме Связьпромэкспо-2005, Международной научно-практической конференции «СвязьПром 2005», (Екатеринбург, 2005), VI-IX отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004, 2005, 2006), на семинарах кафедры Радиоэлектроники информационных систем УГТУ-УПИ
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 12 работах, в том числе 1 в реферируемом издании, рекомендуемом ВАК
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений Объем диссертации 142 страницы, 38 рисунков, 2 таблицы Список использованных источников включает 122 наименования
