Введение к работе
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 (МВ), и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня МП. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ. 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, Л. Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах отечественных авторов А.П. Жуковского, Н.А. Важенина, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиоcигналы с наносекундной разрешающей способностью, а основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма отраженных от МП сигналов ПРВ. 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. 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. Однако, основная задача ПРВ – оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты МВ в этих приборах является вспомогательной задачей. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей МВ с борта ИСЗ.
Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра-скаттерометра (МРС), позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: а) высоте МВ путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП; б) крутизне МВ путем оценки ширины доплеровского спектра (ШДС) и мощности отраженного сигнала, связанной с удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) поверхности и скоростью поверхностного ветра. Возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ отраженного сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, Л.М. Миллер, А.А. Калинкевич, А.А. 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 МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. Важной задачей является также необходимость совмещения измерителя высоты МВ с надирным скаттерометром – измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ШДС эхо-сигнала. При этом относительная простота и технологичность конструкции МРС 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 МВ.
- В направлении создания надирного МРС:
1. Обоснованность возможности оценки высоты морских волн по ДЧКФ с ИСЗ.
2. Разработка эффективного метода оценки высоты МВ с подавлением декоррелирующего множителя ДЧКФ.
3. Разработка структуры измерителя высоты МВ, 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 радиовысотометрии. 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 МВ 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 МРС: 1) Использование метода надирного 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 МВ в зависимости от выбранных параметров МРС, режима облучения и состояния МП. 4) Анализ возможности одновременной оценки не только высоты МВ, но и дисперсии наклонов МВ, 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 МВ 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 МВ 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 МВ 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 МРС, 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 МВ 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.
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 радиовысотометрии 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 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 ХХIII 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.
