Введение к работе
Актуальность исследования. Экспериментальное изучение и моделирование пространственной структуры электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ) является важной и актуальной задачей, т.к. распределение ЭМП РЧ определяет широкий спектр таких практически важных показателей территорий как: протяженность зон надежного функционирования систем беспроводной связи, возможности по дальнейшему наращиванию количества и плотности радиопередающих средств в искомом районе и степень электромагнитной безопасности функционирующих технических средств [Л1-ЛЗ]. Также ЭМП РЧ, наравне с другими геофизическими и астрофизическими факторами, являются характеристикой окружающей среды важной как при экологическом мониторинге, так и объективном контроле состояния техногенных объектов, что с учетом опыта фундаментальных исследований [Л4-Л6], естественным образом предопределяет высокую значимость комплексного экспериментального изучения данного фактора и других видов волновых полей, в том числе при их малых интенсивностях, ниже установленных нормативных уровней [Л7-Л8].
В связи с этим, в качестве приоритетов в задачах изучения пространственно-распределенных радиофизических характеристик в априори недетерминированных средах может выступать получение информации о пространственной структуре ЭМП РЧ и выявление радиофизических процессов и явлений ее формирующих, в том числе конкретных объектов среды при взаимодействии с которыми искомые эффекты имеют место. При этом наличие только экспериментальных данных объективного контроля ЭМП РЧ недостаточно для решения этой задачи, что требует их дополнения методами моделирования процессов распространения радиоволн с адекватным степени фактической вариативности полей пространственным разрешением.
Достижимая пространственная детализация корректного моделирования пространственной структуры ЭМП РЧ напрямую связана с возможностью соответствующего алгоритма учесть особенности конкретной среды распространения радиоволн, т.е. окружающей передатчик/приемник территории и/или помещения.
Наиболее ранние модели распространения радиоволн, например формула Введенского, описывая напряженность поля от расстояния до передатчика над плоской поверхностью, по сути опирается на модель среды, представленную простым профилем и в более сложных средах дополняется оценкой затуханий радиосигнала в растительности, строительных материалах и табулированными параметрами, описывающими величину дифракционного коэффициента от высоты препятствия, определяя соответствующие геометрические параметры препятствий на основе этого профиля [ЛІ, Л2]. Появившиеся позднее и до сих пор применяющиеся статистические методы прогнозирования условий распространения радиоволн (модель Окамуры-Хаты и др.) обеспечивают использование двухмерной модели территории, где вся искомая местность представлена ограниченным набором полигонов - типов подстилающей
поверхности (город, пригород, сельская местность и т.п.) для которых задана функция потерь от расстояния и длины волны, полученная на базе эмпирических данных [ЛЗ, Л9].
Современные детерминированные методы моделирования
распространения ЭМП РЧ, основанные на геометрооптическом приближении (различные методы трассировки лучей) и численных методах электродинамики (метод конечных интегралов и др.), могут использовать при проведении расчетов цифровые трехмерные модели среды, в том числе созданные с помощью систем геопространственного моделирования. Однако, до сих пор на их базе не создана единая методика моделирования, позволяющая одновременно: а) с высокой достоверностью определить значение поля в произвольной точке; б) полноценно задействовать в расчете трехмерные модели среды без ограничения степени их детализации; в) эффективно работать на доступных вычислительных мощностях. В связи с этим, каждый из методов используется в своей функциональной нише: методы численной электродинамики - для детальных расчетов в условиях малого объема (помещения), а геометрооптические методы для расчетов на расстояниях до 5... 15 км от передатчика с пространственным разрешением от нескольких десятков метров и грубее.
В сложившейся практике исследований пространственной структуры ЭМП РЧ комплексная природа рассматриваемой задачи часто не находит должного отражения. Например, анализ распределения интенсивности ЭМП РЧ часто сводится к оценке ее статистических характеристик в широкой полосе частот, т.е. искомое пространство исследуется как регулярная или локально однородная среда, представленная конечным набором функциональных выделов. Узкополосные (в частотной области) измерения ЭМП РЧ обычно направлены на оценку зоны покрытия и/или электромагнитной безопасности конкретных систем связи, часто без корректного моделирования искомого объема пространства. Кроме того, в инженерных исследованиях пространственным вариациям ЭМП РЧ как таковым уделяется мало внимания, т.к. авторов интересует сходимость результатов моделирования и натурных измерений и оптимизация используемого алгоритма расчета [ЛЗ, Л9, Л10].
Применение детерминированных методов моделирования распространения радиоволн, а также пространственно-ориентированная обработка данных радиотехнических измерений, очевидно, невозможна без метрически-корректных цифровых моделей среды. В настоящее время основным инструментом создания таковых являются системы геопространственного моделирования также называемые геоинформационными системами - ГИС, которые позволяют преобразовывать информацию об окружающей среде в массив структурированных данных, что обеспечивает создание двух- и трехмерных цифровых моделей среды, адаптированных для проведения физического моделирования и верификации точности соответствующих расчетов, а также пространственно-ориентированный анализ данных дистанционного зондирования, результатов геофизических, экологических измерений и других видов распределенной геоинформации [Л5, Л6, ЛІ 1-Л13].
Однако, несмотря на очевидную важность задачи моделирования окружающей среды при анализе распространения радиоволн, до сих пор на методологическом уровне изучение пространственной структуры ЭМП РЧ не рассматривалось как триединая в своей сущности задача [ЛЗ, Л9], включающая: 1) определение оптимального алгоритма моделирования процесса распространения электромагнитных волн (в зависимости от диапазона частот, расстояний и необходимой детализации); 2) разработку адекватной выбранному алгоритму технологии моделирования среды распространения радиоволн; 3) разработку методов экспериментального исследования характеристик ЭМП РЧ, адаптированных как для верификации точности прогноза, так и для исследования характеристик поля в условиях недетерминированных сред, когда возможности прогноза структуры поля ограничены.
Таким образом, понятие "моделирование" применительно к рассматриваемой задаче приобретает комплексный многоаспектный характер, включающий моделирование физического процесса (распространение радиоволн), моделирование окружающей среды и создание пространственных моделей физических полей на базе расчетных или экспериментальных данных. При этом важной особенностью всех аспектов моделирования является работа с пространственно-распределенными явлениями, что требует выработки взаимоувязанного комплекса специализированных методов, базирующихся на общей геопространственной платформе.
В качестве такой платформы могут выступать геоинформационные системы, предоставляющие пользователю универсальную среду моделирования, включающую открытый программный интерфейс, позволяющий создавать собственные программные модули, тесно интегрированные с базовым приложением, возможность работы с широким набором форматов пространственных и непространственных данных и обширный функционал средств пространственного анализа и двух- и трехмерной визуализации информации.
Решение задачи системной интеграции методов моделирования радиофизических процессов, технологий геопространственного моделирования среды и методов экспериментального изучения пространственной структуры ЭМП РЧ принципиально важно для создания новых методов объективного контроля ЭМП РЧ в природных и техногенных средах с применением ГИС и радиотехнических измерений (в том числе оперативных), оценки фундаментальных ограничений на точность таких измерений, а также для создания специализированных методов обработки экспериментальных данных, включающих создание методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения для обработки информации о пространственной структуре ЭМП РЧи протекающих в среде радиофизических процессах.
При этом ключевую роль играет адаптированность всех предлагаемых решений к реальным условиям работы практикующего исследователя: ограниченности информации о характеристиках функционирующих источников ЭМП РЧ (спектр, мощность, диаграммы направленности антенн и их ориентация), недостатку детальных цифровых данных о среде и сложного
аппаратурного оснащения. Стремление учесть и преодолеть существующие сложности во многом сформировало нижеприведенные цели и задачи настоящей работы и использованные в ней методы исследования.
Цели и задачи исследования. Основной целью является разработка методологии системной интеграции на платформе геоинформационных систем методов радиотехнических измерений, методов моделирования распространения радиоволн с высоким разрешением и технологий геомоделирования среды распространения радиосигнала в задачах исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ при анализе работы систем радиосвязи, оценке электромагнитной безопасности территорий и помещений, а также в ряде смежных областей прикладных исследований. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Проанализировать применяемые на практике методы экспериментального исследования и моделирования пространственной неоднородности ЭМП РЧ.
-
Разработать комплекс методов экспериментального изучения пространственной структуры ЭМП РЧ с применением частотно-селективных и частотно-неселективных измерений и функционала ГИС и провести их практическую апробацию.
-
Разработать технологию создания радиотехнических моделей среды и помещений в среде ГИС, обеспечивающих моделирование распространения радиоволн на базе геометрооптического приближения и метода конечных интегралов соответственно.
-
Разработать практическую реализацию геометрооптического алгоритма моделирования распространения радиоволн в метровом-дециметровом диапазоне и провести экспериментальную оценку точности прогноза.
-
Разработать практическую реализацию алгоритма моделирования распространения радиоволн в условиях помещений на базе метода конечных интегралов в среде приложения CST Microwave Studio и провести экспериментальную оценку точности прогноза.
-
Усовершенствовать за счет применения ГИС методы экспериментального исследования пространственной неоднородности: радиационного фона, акустического шума и уровней низкочастотных магнитных полей.
Методы исследования. При проведении научно-исследовательской
работы были использованы следующие методы исследований: методы
математического моделирования, методы пространственного моделирования
среды на базе геометрического (векторного) и растрового представления
данных, методы пространственно-ориентированного математического анализа
цифровых пространственно-координированных данных, методы
математической статистики, методы математической
интерполяции/экстраполяции, метод натурных измерений с применением топографо-геодезических средств на базе приборов спутниковой навигации, методы натурных измерений параметров физических полей: радиотехнические, магнитометрические, дозиметрические и акустические.
Научная новизна исследования. Впервые на практике осуществлена системная интеграция на платформе геоинформационных систем программно-
аппаратных средств проведения радиотехнических измерении, методов радиофизического моделирования и геомоделирования среды в задачах исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ:
-
Разработана не имеющая аналогов технология создания цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий высокого и сверхвысокого пространственного разрешения в среде ГИС, реализующая технологию двойного адаптивного структурирования данных, учитывающая одновременно особенности виртуальной среды в которой проводится моделирование и требования, обеспечивающие моделирование распространения радиоволн.
-
Впервые разработана технология создания единых, пространственно-неразрывных мультимасштабных радиотехнических моделей среды, которые могут включать все ее значимые элементы: от модели участка городской застройки до элементов интерьера отдельного помещения внутри здания и эффективно использоваться при моделировании распространения радиоволн с применением различных алгоритмов.
-
Разработана новая практическая реализация алгоритма моделирования физического процесса - распространения радиоволн в метровом-дециметровом диапазоне, основанная на геометрооптическом приближении, обеспечивающая среднеквадратическую точность прогноза на частоте 100 МГц в условиях города от4...5до8...9дБ.
-
Впервые разработана практическая реализация моделирования пространственного распределения электромагнитного поля в дециметровом диапазоне длин волн в условиях помещений, основанная на сопряжении метода конечных интегралов в среде программы CST Microwave Studio и радиотехнических моделей зданий, созданных в среде ГИС, обеспечивающая среднеквадратическое отклонение расчетных значений от экспериментальных на частотах 400 и 900 МГц от 3,6 до 5,2 дБ.
-
Разработан и практически апробирован комплекс новых, оригинальных методов экспериментального исследования ЭМП РЧ, основанный на частотно-селективных и частотно-неселективных измерениях и использовании функционала ГИС. Разработаны новые методы экспериментального исследования пространственной неоднородности радиационного фона, уровней акустического шума и низкочастотных магнитных полей.
-
Впервые в рамках комплекса радиофизических экспериментов осуществлено эффективное и результативное объединение комплексов программно-аппаратных средств объективного контроля ЭМП РЧ в широком диапазоне частот (от 100 МГц до 12 ГГц), аппаратуры спутниковой навигации, мобильных ЭВМ и новых оригинальных методов обработки данных в среде ГИС, в том числе в полевых условиях. Аналогичные задачи решены для магнитометрических, дозиметрических и акустических средств измерений.
-
Впервые теоретически обосновано и практически реализовано использование пространственного моделирования ЭМП РЧ с высоким разрешением в среде ГИС для: а) изучения влияния быстрых замираний на пространственную структуру и точность оценки локального уровня поля; б) анализа структуры многолучевого поля радиосигнала; в) расчетов удельных потоков излучения на подстилающую поверхность; г) расчетов потоков излучения сквозь оконные проемы;
д) пространственной локализации мест оптимального размещения экранирующих структур; е) выявления незарегистрированных источников радиосигнала в помещениях. Впервые разработаны и экспериментально определены новые энергетические показатели электромагнитной безопасности территорий и помещений.
Достоверность полученных результатов. Все экспериментальные результаты представленные в работе получены в ходе натурных изысканий непосредственно в условиях урбанизированных сред, проводившихся в течение ряда лет с использованием теоретически обоснованных и практически апробированных методов измерений, учитывающих результаты, опубликованные в ведущих зарубежных и отечественных работах в области мониторинга ЭМП РЧ. Результаты экспериментов многократно обсуждались с ведущими специалистами в области экспериментальной физики на научных конференциях и семинарах. Корректность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением данных измерений и результатов математического моделирования распространения радиоволн в условиях города и помещений, а также их сопоставимостью с аналогичными результатами других исследователей. На разработанное программное обеспечение получено свидетельство о государственной регистрации программы. Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.
Практическая значимость исследования. Результаты проведенной научно-исследовательской работы могут быть использованы в следующих областях практической деятельности, включающих создание новых методов объективного контроля состояния окружающей среды, а также экологического и технологического мониторинга природных и антропогенных объектов:
-
При создании высокодетализированных цифровых проблемно-ориентированных моделей среды, в том числе урбанизированной, для широко спектра практических приложений: обеспечения проведения пространственно-распределенных физических экспериментов (при изучении распространения радиоволн, акустических полей, низкочастотных электрических и магнитных полей), радиотехнического мониторинга и паспортизации территорий.
-
В задачах создания цифровых проблемно-ориентированных моделей зданий высокой и сверхвысокой детализации при оценке электромагнитной безопасности помещений, планировании защитных и мониторинговых мероприятий при размещении потенциально-опасного технологического или исследовательского оборудования, паспортизации помещений и рабочих мест. Оценке эффективности существующих систем экранирования и биологической защиты от воздействия ЭМП РЧ и других физических факторов в производственных и непроизводственных условиях.
-
В задачах локализации мест проникновения электромагнитного излучения внутрь помещений/выделенных объемов сквозь проемы в ограждающих конструкциях и оценки энергетической утечки сквозь проемы в экранирующих системах радиочастотных установок промышленного и телекоммуникационного назначения, а также при уточнении нормативных требований к комплексам радиомониторинга.
-
При разработке методических руководств по проведению и организации комплексного многофакторного мониторинга городских территорий и
непроизводственных помещений. При определении экспозиций/доз по физическим факторам при проведении экологически-ориентированных исследований.
-
При планировании и сертификации радиопередающих объектов в условиях плотной многоэтажной застройки, в том числе при высокой плотности их расположения. При прогнозе изменений электромагнитной обстановки при увеличении/уменьшении мощности, расположения и иных характеристик действующих радиопередающих объектов, в том числе при разработке мер по снижению электромагнитной нагрузки на прилегающую территорию.
-
Разработанная общая методология исследования пространственной структуры ЭМП РЧ обеспечивает возможность применения программно-аппаратных средств объективного контроля в условиях априорной неопределенности расположения и характеристик источников радиоизлучений, в том числе в задачах поиска несанкционированно установленных технических средств, выявления/уточнения мест закладки скрытых инженерных коммуникаций (по признаку электромагнитной эмиссии) и других смежных задачах.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Принципиально расширена сфера научно-технического применения методов и технологий прикладной геоинформатики - геоинформационные методы внедрены в решение прикладных радиофизических задач: моделирование распространения радиоволн с использованием различных алгоритмов, разработку новых методов радиотехнических измерений и обеспечение электромагнитной безопасности территорий и помещений.
-
Впервые разработана технология создания единых, пространственно-неразрывных мультимасштабных радиотехнических моделей среды, которые могут включать все ее значимые элементы: от модели участка городской застройки до элементов интерьера отдельного помещения внутри здания. Разработана не имеющая аналогов технология создания цифровых проблемно-ориентированных моделей (ЦПОМ) зданий высокого и сверхвысокого пространственного разрешения в среде ГИС.
-
Созданная практическая реализация алгоритма моделирования распространения радиоволн, основанного на геометрооптическом приближении и использующего радиотехнические модели среды, обеспечивает среднеквадратическую точность прогноза уровня поля 100 МГц в условиях города (с возможностью декомпозиции по преобладающим радиофизическим процессам) составляющую: 4...5 дБ в зонах радиотени при преобладании дифракционных процессов, 5...7 дБ в зонах полной/частичной оптической видимости передатчиков и 7...9 дБ при преобладании процессов отражения электромагнитных волн.
-
Созданная практическая реализация алгоритма моделирования распространения радиоволн, основанного на методе конечных интегралов и использовании радиотехнических моделей зданий, обеспечивает среднеквадратическую ошибку прогноза уровня поля 400 и 900 МГц в
условиях помещений, составляющую от 2,1 до 3,7 дБ для 80% площади помещения и от 3,6 до 5,2 дБ для всего помещения.
-
Разработанный комплекс оригинальных методов натурных частотно-селективных и частотно-неселективных радиотехнических измерений, включающих активное использование функционала ГИС, обеспечивает: а) изучение влияния быстрых замираний на пространственную структуру и точность оценки локального уровня поля; б) анализ спектральной структуры амбиентного электромагнитного фона в широкой полосе частот в) анализ структуры многолучевого поля радиосигнала; г) расчет удельных потоков излучения на подстилающую поверхность; д) расчет потоков излучения сквозь оконные проемы; е) пространственную локализацию мест оптимального размещения экранирующих структур; ж) выявление незарегистрированных источников радиосигнала в помещениях.
-
Системная интеграция методов моделирования радиофизических процессов, технологий геопространственного моделирования среды и методов экспериментального изучения пространственной структуры ЭМП РЧ существенно повышает эффективность, оперативность, надежность и пространственное разрешение исследований радиофизических процессов, протекающих в среде, обеспечивает разработку новых методов радиотехнических измерений, оценку фундаментальных ограничений на их точность и создание новых специализированных методов обработки и визуализации экспериментальных данных.
Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертации получены автором лично. Непосредственно автору принадлежит разработка общей методологии исследования пространственной неоднородности ЭМП РЧ, методов проведения радиотехнических измерений и методов обработки экспериментальных данных частотно-селективных и частотно-неселектвных измерений в среде систем геопространственного моделирования. Автором единолично разработаны и практически апробированы методы создания радиотехнических моделей местности и зданий на базе их цифровых проблемно-ориентированных моделей. Весь комплекс экспериментальных исследований поведен непосредственно автором или с его участием. В работах, написанных в соавторстве, диссертанту принадлежит участие в постановке задачи, определении методов ее решения, обработке данных и интерпретации их результатов.
Апробация результатов исследования и публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 41 публикации, в том числе в 16-ти статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК - "Доклады академии наук", "Радиотехника, "Электромагнитные волны и электронные системы", "Наукоемкие технологии", "Нелинейный мир", "Геоинформатика", "Вестник Московского университета", "Экология урбанизированных территорий", 6-ти монографиях, препринте, учебном пособии и других печатных работах (полный перечень приведен в конце автореферата).
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII международной конференции "Ломоносов 2001", XI международной конференции "Ломоносов - 2004", на заседаниях международной конференции
"Ломоносовские чтения 2004", на IV Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика) 2004" (секции "прикладные аспекты экологической физики" и "вопросы экологического образования"). III Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь 2009" в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, IV Всероссийской конференции "Радиолокация и радиосвязь 2010" в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, на конференции "3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications" (Пекин, 2009), конференции "Экосистемы, организмы, инновации - 11" (2009 г., биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова), конференции "Экосистемы, организмы, инновации - 12" (2010 г., биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова), семинаре "Математическое моделирование волновых процессов" (Российский новый университет, 2013 г.), а также на семинарах кафедры рационального природопользования географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Центра гидрофизических исследований, кафедр биофизики и физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений. Общий объем диссертации - 364 страницы, приложений - 13 страниц. Общее число рисунков в работе - 162, таблиц - 42. Список литературы включает в себя 285 наименований.
