Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. ВИДЫ ПОМЕХ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ВЛИЯНИЯ НА
ТОЧНОСТЬ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 12
-
Мультипликативные помехи в радиометрических системах 15
-
Мультипликативные помехи, обусловленные внешними
факторами 17
-
Мультипликативные помехи, обусловленные внутренними факторами 21
-
Влияние внутренних мультипликативных помех на точность радиометрических измерений 22
-
Влияние внешних мультипликативных помех на точность радиометрических измерений 30
-
Выводы по главе 38
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫХ ПОМЕХ НА ТОЧНОСТЬ
РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 41
-
Метод инжекции шума в антенный тракт 42
-
Метод автокомпенсации 48
-
Метод деления сигналов 52
-
Метод поляризационной селекции 56
-
Сравнительная оценка методов компенсации мультипликативного влияния 62
-
Выводы по главе 66
Глава 3. МЕТОД ВНЕШНЕГО ПИЛОТ-СИГНАЛА С
ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ 69
3.1 Разработка метода компенсации мультипликативного влияния
слоя осадков 69
-
Принципы реализации метода компенсации 76
-
Структурная схема радиометрической системы 78
-
Алгоритм восстановления исходного сигнала 84
-
Оценка флуктуационной чувствительности радиометрической системы 87
-
Выводы по главе 92
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ВНЕШНЕГО ПИЛОТ-СИГНАЛА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ
РАЗРЕШЕНИЕМ 97
-
Характеристики и состав измерительного комплекса 97
-
Методика проведения исследований ПО
-
Результаты и интерпретация исследований 115
-
Области применения радиометрической системы 129
-
Выводы по главе 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 148
Введение к работе
Радиометрическое исследование атмосферы представляет собой достаточно мощное средство, обладающее точностью и оперативностью, и позволяющее судить о количественном соотношении излучающих компонент в атмосфере. Получаемая информация необходима для исследования пространственной структуры и эволюции облаков в целях прогноза погоды, урожая и опасных явлений, а также для решения задач экологии, гидрологии и природопользования, что является одним из актуальных направлений дистанционного зондирования окружающей среды. Проведенные исследования показывают принципиальные возможности и перспективы развития методов и аппаратуры радиометрического исследования атмосферы. При проведении измерений в условиях выпадения гидрометеоров основные параметры антенн радиометрических систем сантиметрового диапазона длин волн сильно изменяются, что приводит к значительным ошибкам и вносит в результаты измерений неопределенность.
В процессе радиометрических измерений имеют место внешние аддитивные и мультипликативные помеховые воздействия. Аддитивное влияние на входной сигнал обусловлено фоновым излучением, принимаемым из угловой области рассеяния антенны и ее собственным шумовым излучением, а также увеличением приведенной ко входу приемного устройства температуры шума, вызванного собственным тепловым радиоизлучением слоя снега, льда или воды.
Недетерминированное изменение характеристик антенны (коэффициент рассеивания антенны и ее КПД), величины которых определяют уровень выходного сигнала, является результатом внешнего мультипликативного по-мехового влияния в радиометрических системах. Формирование на поверхности зеркальной антенны слоя гидрометеоров (снега, льда или воды), электрические свойства которых существенно отличаются от свойств отражателя антенны, вызывают ослабление уровня полезного сигнала на входе радио- метрического приемника за счет снижения коэффициента отражения от подобного трехслойного образования.
Целый ряд функциональных элементов, входящих в состав радиометрических систем, может служить источником внутреннего помехового мультипликативного влияния. Наводки по цепям питания, флуктуации напряжений питания и параметров основных элементов усилителей приводят к флук-туациям амплитуды и фазы усиливаемых колебаний.
С целью увеличения достоверности и точности радиометрических измерений необходимо обеспечить стабильность работы радиометрических систем в сложных метеорологических условиях при воздействии как внешних, так и внутренних помехообразующих факторов.
Разработка методов компенсации помехового влияния слоя осадков на результаты радиометрических измерений, позволяющих повысить точность оценки параметров исследуемого объекта в сложных метеоусловиях, является одной из актуальных задач радиометрии.
Использование радиометрической системы, позволяющей осуществить схемную компенсацию помехового влияния слоя осадков, может оказаться более предпочтительным, с точки зрения точности и оперативности проведения исследований, по сравнению с радиометрическими системами, содержащими комплекс вспомогательных средств и средств вычислительной техники, осуществляющих контроль данных помехообразующих факторов с последующей корректировкой результатов измерений.
Цели и задачи диссертационной работы
Цель настоящей работы заключается в разработке радиометрической системы с компенсацией помехового влияния слоя осадков на поверхности антенны, позволяющей повысить точность оценки полезного информационного сигнала при радиометрических наблюдениях в сложных метеорологических условиях.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи: анализ источников и результатов воздействия мультипликативных помех на точность радиометрических измерений, при проведении дистанционного зондирования в сложных метеорологических условиях; оценка возможностей известных методов компенсации влияния мультипликативных помех на результаты радиометрических измерений; разработка и обоснование метода компенсации помехового влияния слоя осадков на результаты радиометрических измерений с реализацией пространственного разрешения информационного сигнала; разработка структурной схемы радиометрической системы, реализующей метод компенсации помехового влияния слоя осадков, при использовании внешнего эталонного пилот-сигнала для оценки изменения параметров антенной системы с последующим выполнением операции деления сигналов; разработка макета радиометрической системы, содержащей СВЧ-радиометр, реализующий метод внешнего пилот-сигнала с пространственным разрешением, двухмодовую зеркальную антенну и прикладное программное обеспечение; экспериментальное исследование разработанного метода с помощью лабораторных и натурных испытаний.
Методы исследования
В данной работе использованы методы математического и физического моделирования, аналитический аппарат технической электродинамики, численные методы расчета и анализа, а также методы экспериментального исследования разработанной радиометрической системы.
Научная новизна работы состоит в том, что проработаны вопросы повышения точности радиометрических измерений в условиях воздействия помехового мультипликативного влияния слоя осадков на поверхности зеркальной антенны, для чего впервые: разработан метод внешнего эталонного пилот-сигнала с пространственным разрешением, позволяющий компенсировать помеховое влияние слоя осадков, сформированного на поверхности антенны; определены основные принципы реализации разработанного метода компенсации, заключающиеся в инжекции внешнего двухуровневого эталонного пилот-сигнала, с последующей реализацией процедуры разностно-относительного измерения шумового сигнала; разработана двухканальная радиометрическая система, реализующая метод внешнего пилот-сигнала с пространственным разрешением информационного и помехового сигналов; проведено экспериментальное исследование предложенной радиометрической системы в условиях выпадения и формирования слоя осадков на антенне; проведена оценка погрешности компенсации помехового влияния слоя осадков (дождь и снег) в двухканальной радиометрической системе.
На защиту выносятся: оценка мультипликативного влияния слоя осадков на точность результатов радиометрических измерений; результаты сравнительного анализа существующих методов компенсации мультипликативного помехового влияния на точность радиометрических измерений, основанных на инжекции шума в антенный тракт, делении сигналов и поляризационном разрешении; метод компенсации мультипликативного влияния слоя осадков на поверхности антенны, основанный на использовании внешнего эталонного пилот-сигнала с пространственным разрешением информационного и помехового сигналов; схема радиометрической системы с компенсацией влияния слоя осадков, реализующая предложенный метод; результаты экспериментальных исследований радиометрической системы, подтвердившие возможность компенсации данного вида помехово-го влияния, с помощью разработанного метода.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется возможностью создания на базе проведенных исследований и разработок, радиометрической системы с компенсацией мультипликативного влияния слоя осадков на антенне, предназначенной для исследования атмосферы в сложных метеоусловиях, необходимой для оценки характеристик водо- и влагосодержания облаков и для других научных и прикладных задач. Результаты диссертационной работы использовались при проведении научно-исследовательских работ на кафедре "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Муромского института ВлГУ.
Реализация
Исследования и практические разработки, приведенные в диссертационной работе, являются частью научно-исследовательских работ, выполненных в рамках гранта Президента РФ по поддержке молодых российских учёных и ведущих научных школ Российской Федерации (2004-2005гг., код НШ-1793.2003.5).
Полученные в работе результаты вошли в отчеты по НИР (госбюджетных), проводимых на кафедре "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Муромского института ВлГУ с 2002 по 2005 год.
Результаты исследований и их практической отработки были внедрены в Научно-исследовательском центре дистанционного зондирования атмосферы (г. С.-Петербург), на Муромском заводе радиоизмерительных приборов и в учебном процессе Муромского института Владимирского государственного университета.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII Всероссийская школа-конференция. "Дифракция и распространение волн". (Москва, 2001г.). XXVIII Гагаринские чтения (Москва, 2002г.).
III Всероссийская конференция, посвященная памяти Г. Г. Самой-ловича "Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве" (Москва, 18-19 апреля 2002г.). XX Всероссийская конференция по распространению волн. - (Н. Новгород, 2002г.).
Всероссийская научная конференция - семинар. "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром 1 - 3 июля 2003г.).
II Всероссийская конференция. "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами". (С. - Петербург 16-18 июня 2004г.).
II Всероссийская научная конференция - семинар. "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром 4-7 июля 2006г.).
Ежегодные научно-технические конференции Муромского института Владимирского государственного университета (2002 - 2006гг.).
Основное содержание работы опубликовано в 14 работах.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 12 статей, 2 тезиса докладов. Исследования и разработки отражены в 3 отчетах о госбюджетных НИР.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 11 таблиц. Библиография включает 111 наименований. В приложении представлены документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
В первой главе диссертации проведено исследование мультипликативных помех, присутствующих при радиометрических измерениях, а также проанализировано влияние данного вида помех на точность радиометрических измерений.
Во второй главе диссертации проанализированы существующие методы компенсации влияния мультипликативных помех на точность радиометрических измерений.
Эффективным способом выделения информационной составляющей антенной температуры является осуществление компенсационных методов при построении радиометрических систем, предусматривающих адекватное относительное измерение уровня выходного сигнала при воздействии мультипликативных помех. Для выполнения указанной корректировки в радиометрической системе должно быть предусмотрено формирование дополнительного эталонного сигнала пропорционального величине действующих на входе системы помех. Наиболее распространены следующие методы формирования и разрешения компенсирующего сигнала: метод инжекции шума в антенный тракт; метод автокомпенсации; метод деления сигналов; метод поляризационной селекции.
В третьей главе диссертации проведена разработка метода внешнего пилот-сигнала с пространственным разрешением, позволяющего скомпенсировать влияние как внешних, так и внутренних мультипликативных помех на точность радиометрических измерений; предложена схемная реализация ра- диометрической системы, реализующей данный метод; разработан алгоритм приема радиошумового сигнала с использованием данного метода.
В четвертой главе приводятся результаты лабораторных и натурных испытаний макета радиометрической системы с компенсацией мультипликативного влияния слоя осадков. Экспериментальные исследования имели целью проверку теоретических положений, сформулированных в третьей главе, оценку возможностей и методов технической реализации разработанного алгоритма обработки радиометрических сигналов.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.
В приложении представлены документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
