Содержание к диссертации
Введение
1 Пассивные и активные системы контроля метеорологических параметров природной среды
1.1 Пассивный радиотехнический мониторинг метеообъектов 23
1.2 Активный радиотехнический мониторинг метеообъектов 27
1.3 Пассивно-активный радиотехнический мониторинг 31 метеообъектов
1.4 Пассивно-активные радиотехнические измерительные системы в структуре систем управления метеорологическими и метеозависимыми процессами 36
1.5 Модель пассивно-активной радиометеорологической системы 42
1.6 Методы построения ПАРЛС 47
1.7 Цель и задачи работы 52
Выводы 53
2 Пути совершенствования пассивно-активных радиометеорологических систем
2.1 Разработка- алгоритмов определения водности атмосферных образований 54
2.2 Метрологическое обеспечение 50
2.3 Оценка степени достоверности измерений 58
Выводы 75
3 Погрешности радиометеорологических измерений 76
3.1 Инструментальные погрешности 76
3.2 Способы калибровки 84
3.3 Погрешности измерения, обусловленные особенностями метеообъектов и способом калибровки активного канала 93
3.4 Методы калибровки метеорологических РЛС с точки зрения современных положений метрологии
3.5 Влияние жидких атмосферных осадков на точность пространственной обработки сигналов
3.6 Влияния среды распространения радиосигнала на точность измерений
Выводы j j у
4 Разработка принципов построения оптимальных ПАРЛС
4.1 Оценочно-компенсационная обработка радиометеорологической информации
4.2 Повышение точности получения и обработки радиолокационной информации
4.3 Оптимизация пассивного канала ПАРЛС 132
4.4. Обработка радиометеорологической информации при наличии |38
слоя осадков на поверхности антенны
Выводы J44
5 Практическая реализация разработанных принципов , 145
5.1 Выбор базовой станции 145
5.2 Влияние нестабильности частоты генератора реперного сигнала на точность оценочна-компенсационной обработки
5.3. Разработка макета пассивно-активной метеорадиолокационной контрольно-измерительной системы
5.4 Оценочно-компенсационная обработка сигнала в активном \у\ канале
5 5 Погрешности оценочно-компенсационной обработки сигнала активного канала
5 5 Оценка степени повышения точности и достоверности \ gg
измерений
Выводы I g5
6 Валидация данных и повышение достоверности измерений 186
6.1 Проблемы валидации данных 186
6.2 Пути повышения точности измерения активного канала 196
6.3 Пути повышения точности измерений пассивным каналом
Выводы 205
7 Обработка информативных сигналов и выработка прогностических решений для увеличения безопасности техногенных объектов 206
7.1 Обработка информативных сигналов ПАРЛС 906
7.2 Разработка алгоритма выработки прогностических решений для увеличения безопасности летательных аппаратов
7.3 Акустические средства дистанционного мониторинга приземного слоя атмосферы
7.4 Защита аппаратуры контрольно-измерительной системы от воздействия внешнего акустического поля
7.5 Синтез интегральной пассивно-активной радиометеорологической контрольно-измерительной системы 232
7.6 Оценка эффективности получения и обработки информации в пассивно-активных радиометеорологических контрольно-измерительных системах 233
Выводы 243
Заключение 244
Список использованных источников
- Активный радиотехнический мониторинг метеообъектов
- Метрологическое обеспечение
- Методы калибровки метеорологических РЛС с точки зрения современных положений метрологии
- Повышение точности получения и обработки радиолокационной информации
Введение к работе
Состояние окружающей среды и протекающие в ней процессы оказывают большое влияние на все области деятельности и повседневную жизнь человека [28,232,260,263,264 и т.д.]. Метеорологические условия оказывают значительное влияние на все виды транспорта, работу сельскохозяйственного, строительного и энергетического комплексов, на повседневную жизнь людей. Стремление обеспечить надёжное прогнозирование метеорологической обстановки на разных этапах развития человечества решалось самыми разнообразными методами. Переход к началу техногенного этапа позволил наладить сначала редкие, осуществлявшиеся отдельными энтузиастами, а затем систематические метеорологические наблюдения и измерения.
В XVII-XVIII в.в. уже была сформирована достаточно единообразная система наблюдений, использующая известные к тому времени средства. С конца ХІХв. в метеорологию стали проникать сначала электрические, а затем и электронные методы и устройства. Этот естественный процесс обусловлен, с одной стороны - использованием новых метеорологических характеристик, которые невозможно или нерационально измерять традиционными средствами, а с другой - развитием электротехники и особенно электроники.
Большинство сформировавшихся к настоящему времени методов дистанционного наблюдения исследования атмосферы основаны на использовании радиотехнических принципов локации, и потому объединяются общим названием «радиометеорология» [189,190,191]. Их широкое применение обусловлено тем, что в отличие от классических измерителей (плювиограф, барометр и т.п.) они позволяют проводить измерения интегральных характеристик метеообстановки на больших пространствах с одновременной обработкой полученных результатов и представлением в удобном для потребителя виде.
В целом дистанционные радиометеорологические локационные системы можно разделить на два вид: активные и пассивные. Активные основаны на
7 излучении зондирующего сигнала, приёме отражённых эхо-сигналов с последующим их анализом, и применяются для получения количественной информации о жидких и твердых осадках, исследования облаков, изучения атмосферной турбулентности, гроз, шквалов, ветра, оценки эффективности активных воздействий на облачные образования, обеспечения безопасности полётов самолётов и т.п. [8,23,43,45,76,96,133,139,152,176,191,236 и т.д.]. Пассивные осуществляют измерение собственного излучения метеообъектов и позволяют решать задачи исследования распределения жидкокапельной влаги в поле кучевых облаков, прослеживания изменения содержания жидкокапельной влаги в конвективных облаках в процессе их эволюции, исследования пространственного распределения жидкокапельной влаги в конвективных облаках, определения полного содержания воды в конвективном облаке и др. [40,133,152,190,191,202,219]
Всё возрастающие требования к количеству и качеству получаемой информации приводят к необходимости создания более совершенных систем, позволяющих решать принципиально новые задачи или обеспечивать существенное повышение точности традиционных измерений. К метеолокаторам нового типа относятся совмещённые системы, позволяющие за счёт соответствующей обработки получаемой информации взаимно компенсировать недостатки, присущие каждой из систем в отдельности, что существенно повышает достоверность извлекаемой информации. В радиометеорологии к ним относятся пассивно-активные радиолокационные системы (ПАРЛС).
Круг задач, решаемых посредством ПАРЛС, достаточно широк, что позволяет использовать их не только при проведении научных исследований: определении водозапаса и средней водности облаков и осадков, а также интенсивности осадков; исследовании изменения этих параметров во времени; картографировании подстилающей поверхности и определение возраста льда; выявлении загрязнений природных объектов и т.д., но и в составе систем управления (СУ) метеорологическими и метеозависимыми процессами [2,83,189,190,191].
Возможности ПАРЛС осуществлять измерение интегральных параметров позволяют говорить о реальности повышения точности и достоверности получаемой метеорологической информации и, как следствие, о повышении эффективности функционирования СУ метеорологическими и метеозависимыми процессами.
Теоретическая и практическая проработка пассивно-активных радиолокационных систем была осуществлена в работах Степаненко В.Д., Щукина Г.Г., Горелика А.Г., Абшаева М.Т. и ряда других авторов. Но поскольку это направление радиометеорологии продолжает эффективно развиваться, насущной необходимостью является продолжение исследований в данном направлении. Например, методика определения водности облаков проработана частично, причём только для одной длины волны - 3,2 см. Проблемы пространственно-временного совмещения каналов при обеспечении их электромагнитной совместимости решены лишь в общем виде.
Ещё одна из проблем, требующая своего разрешения - повышение точности и достоверности радиометеорологических измерений - обусловлена развитием электронно-вычислительных средств и связана с преобразованием обычных измерительных систем в контрольно-измерительные. Использование ПАРЛС как КИС метеорологического назначения ставит задачу совершенствования алгоритмов обработки получаемой информации. Одно из возможных направлений -применение оценочно-компенсационных методов. Данная проблематика достаточно хорошо проработана применительно к классической радиолокации. В радиометеорологии данная проблема практически не затрагивалась.
Цель диссертационной работы, таким образом, заключается в научном обосновании и разработке методов построения и применения радиотехнических пассивно-активных дистанционных систем метеорологического мониторинга природной среды.
Исходя из цели работы, задачами исследования являются:
анализ принципов активного и пассивного радиотехнического мониторинга метеообъектов и их роли в системах управления некоторыми метеорологическими и метеозависимыми процессами, в исследованиях природной среды и метеорологическом прогнозировании;
разработка методик определения интегральных метеорологических параметров при использовании пассивно-активных радиотехнических дистанционных систем;
анализ и разработка методов и аппаратных решений совмещённого построения оптимальных пассивно-активных радиометеорологических контрольно-измерительных систем, обеспечивающих повышение точности радиометеорологических измерений;
экспериментальная реализация разработанных теоретических решений;
оценка эффективности применения комплекса разработанных решений;
выработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию пассивно-активных радиометеорологических дистанционных контрольно-измерительных систем.
Методы исследования. В работе использовались методы математической статистики, теории вероятности, теории информации, методы моделирования и методы экспериментального исследования.
Научная новизна работы состоит в развитии методов метеорологического мониторинга природной среды и совершенствовании пассивно-активных радиометеорологических контрольно-измерительных систем в части:
оптимизации и разработки алгоритмов получения и обработки информации о водности дождей и облачных образований;
применения теории, разработки способов и аппаратных средств оценочно-компенсационной обработки сигналов для решения задач повышения точно-
10 сти получения информации с состоянии метеорологических объектов и характере процессов, протекающих в них;
решение задачи повышения точности получения и обработки информации о состоянии метеорологических объектов за счёт компенсации погрешности измерений, обусловленные влиянием: инструментальных погрешностей каналов; флюктуациями радиоэхо и различием в законе распределения эхо-сигналов; наличием внешних помехообразующих факторов;
обеспечении оптимального функционирования активного и пассивного измерительных каналов в составе пассивно-активной радиометеорологической системы, обеспечивающего полное или частичное временное совмещение сигналов измерительной информации и повышение информативности проводимых измерений;
разработке методов, алгоритмов и аппаратных средств: идентификации контролируемых объектов; автоматизации обработки метеорологической информации и обеспечения задач выработки прогностических решений для систем управления метеозависимыми процессами (в части повышения безопасности техногенных объектов).
На защиту выносится совокупность новых научно обоснованных технических решений, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований, включая:
алгоритмы получения информации о водозапасе атмосферных образований;
способ и совокупность аппаратных средств, обеспечивающие повышение точности получения и обработки информации о состоянии метеорологических объектов;
методы оптимального функционирования активного и пассивного измерительного каналов в составе пассивно-активной радиометеорологической системы, обеспечивающие полное или частичное временное совмещение сигналов
измерительной информации, повышение информативности результатов измерений;
способ и аппаратные средства оценочно-компенсационной обработки сигнала активного канала пассивно-активной радиометеорологической измерительной системы;
совокупность прикладных решений в виде способов и аппаратных средств, обеспечивающих идентификацию контролируемых объектов, автоматизацию обработки метеорологической информации и обеспечение задач выработки прогностических решений для систем управления метеозависимыми процессами, дальнейшее совершенствование измерительных информационных радиометеорологических средств.
Практическая ценность диссертационной работы.
Исследования и практические разработки по теме диссертации были использованы при выполнении работ, проводившихся с Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова и Центральной аэрологической обсерваторией в рамках программ ГКНТ СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды , У.32д.09, 0.74.10.01.12.Н1 и 0.74.01.05.01.08.Н2. (1981-1990г.г.); Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2000-2004г.г.); гранта Президента РФ НШ-1793.2003.5 по поддержке молодых российских учёных и ведущих научных школ Российской федерации (2004-2005г.г.), а также в соответствии с планами хоздоговорных и госбюджетных работ Муромского института ВлГУ (1981-2006г.г.). В перечисленных НИР автор принимал участие в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя.
Практическая значимость результатов заключается в том, что:
Совокупность теоретически обоснованных методов и алгоритмов проработана на уровне реализации в аппаратных средствах с обеспечением возможности промышленного освоения системы;
Результаты исследований и их практической отработки были внедрены в ряде организаций, относящихся к сфере науки, промышленности и образования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на более чем двух десятках конференций всесоюзного, международного и всероссийского уровней: YII Всесоюзном совещании по радиометеорологии (г.Суздаль, 1986г.); XV и XX Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (г. Алма-Ата, 1987г., г. Н.Новгород, 2002г.); II и III Всероссийской научной конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (г.Муром, 1992г., 1999г.); IV международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 1998г.); «6[ Specialist Meeting on Microwave Ra-diometry and Remote Sensing of the Environment» (Firenze, Italy, 1999r.); Ill, IV, V и VI международных научно-технических конференциях «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (Владимир, 1999г., 2001г., 2003г., 2005г.); International Symposium «Advanced Surface Movement Guidance and Control System» (Stuttgart, Germany, 1999r.); «International Symposium on Precision Approach and Automatic Landing» (ISPA -2000) (Bonn, Germany, 2000г.); I и II Всероссийских научных конференциях «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 2001г., С. Петербург, 2004г.); «German Radar Symposium» (GRS'2002) (Berlin, Germany, 2002г.); I и II Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2003г., 2006г.) и др., а так же на ежегодных научных конференциях Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (1982-2006г.г.).
Публикации.
Основные результаты теме диссертации отражены более чем в 60 публикациях [12-14,18-21,33,34,47,49-52,54,57-59,61,62,65,66,75,87,115,117-121,128-130,146-148,151,153-156,160,162,182,204,205,210,211,239-243, и др.].
Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка используемой литературы и приложения.
Во введении обосновывается актуальность тематики исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся положения, выносимые на защиту.
В первом разделе рассмотрены принципы применения и построения пассивно-активных радиотехнических контрольно-измерительных систем метеорологического назначения.
Рассмотрены принципы пассивных и активных радиометеорологических измерений, физические принципы получения информации, а также основные соотношения, обеспечивающие измерение параметров. Проанализированы недостатки, присущие каждой из рассматриваемых систем.
Рассмотрены принципы проведения совмещённых пассивно-активных метеорологических измерений, особенности построения пассивно-активных радиометеорологических измерительных систем. Проанализированы возможности применения пассивно-активных метеорадиолокаторов в структуре систем управления (СУ) метеорологическими и метеозависимыми процессами, в частности, для получения прогностической информации. Осуществлена систематизация и предложен единый подход к определению основных принципов функционирования СУ метеорологическими и метеозависимыми процессами.
Осуществлён синтез и рассмотрено функционирование модели ПАРЛС.
14 Определены цели и задачи диссертационной работы, заключающиеся в научном обосновании и разработке методов построения и применения радиотехнических пассивно-активных дистанционных систем метеорологического мониторинга природной среды
Во втором разделе проведён анализ путей совершенствования радиометеорологических контрольно-измерительных систем и осуществлён синтез алгоритмов обработки получаемой информации.
Рассмотрены методические вопросы обработки результатов пассивно-активных измерений. Для длин волн Л = 3,2 и Л = 1,6 см получены соотношения, позволяющие оценить водность вдоль и внутри различных облачных зон или зон осадков по линии зондирования. Сформулированы достоинства и недостатки полученных соотношений.
С целью определения уровня метрологической обеспеченности измерений и выявления общих погрешностей пассивно-активных радиометеорологических измерений были проведены исследования основных этапов и точности измерения параметров, определена <^бщая погрешность пассивно-активного метода и погрешность активного канала, дающего наибольший вклад в суммарную погрешность.
Проанализированы критерии эффективности функционирования контрольно-измерительных радиометеорологических систем. Поскольку диапазон решаемых такими системами проблем достаточно широк, задачи обнаружения и распознавания природных объектов и явлений решаются путём сведения их к модификациям двухальтернативной классификации, описываемой в терминах испытания статистических гипотез. Поэтому в качестве единого критерия эффективности решения задач рыбрано снижение вероятности ложного распознавания объектов, а конкретной количественной оценкой предложено считать приращение количества информации и повышение точности измерений.
В третьем разделе проведён метрологический анализ источников основных погрешностей радиометеорологических измерений и обеспечиваемой точности пассивно-активных измерений с точки зрения влияния на достижимую точность разнообразных факторов инструментального и методического характера.
Проанализировано влияние различных параметров аппаратных средств активного канала ПАРЛС на точность измерений, определены источники погрешностей и их количественные характеристики.
Проанализированы причины и определены количественные характеристики погрешностей измерения радиолокационной отражаемости, обусловленные нелинейностью характеристики приёмного устройства и флюктуацией сигнала, логарифмическим характером преобразования в сочетании с различием в законах распределения эхо-сигналов.
Рассмотрены известные методы калибровки, обеспечивающие повышение точности измерений. Определён наиболее перспективный метод - метод относительной калибровки, при котором уровень эхо-сигнала отсчитывается от уровня калибровочного сигнала (репера), составляющего определённую часть от уровня излучаемой мощности.
Впервые проведён анализ известных методов калибровки с точки зрения современной общей теории метрологического обеспечения измерений. Показано, что большинство методов, относимых к калибровке, не могут считаться соответствующими понятию «калибровка». Так называемый метод «относительной калибровки» (и ряд других) следует отнести к методам оценочно-компенсационной обработки сигналов.
Исследовано и проанализировано влияние внешнего помехообразующего фактора - слоя воды, образующегося на поверхности зеркала антенны ПАРЛС в момент выпадения осадков - на результаты измерений.
На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований определены основные принципы разработки аппаратуры, сформулированы требования по модернизации и усовершенствованию известных решений.
В четвёртом разделе рассмотрены принципы построения ПАРЛС, позволяющие повысить точность и достоверность измерений.
В соответствии с определёнными в третьем разделе требованиями разработаны принципы оценочно-компенсационной обработки сигналов активного канала и комплекс аппаратных средств, реализующих данные принципы. В основе предлагаемых методов обработки лежит использование неинформативного (паразитного) сигнала, просачивающегося на вход приёмной части радиолокатора в момент излучения зондирующего импульса. Особенностью разработанного способа является то, что формирование реперного сигнала может быть осуществлено почти без переделки волноводного тракта радиолокатора. Это предполагает возможность использования подобного принципа практически с любым типом РЛС, обеспечивает простоту промышленного освоения системы.
Определено численное значение снижения погрешности обработки сигналов при использовании предложенных решений.
Разработаны принципы построения пассивно-активных систем, обеспечивающие не только пространственно-временное совмещение радиометрического и радиолокационного зондирования, но и повышение чувствительности пассивного канала. Пассивный канал ПАРЛС построен на основе схемы модуляционного радиометра, что обеспечивает за счёт использования несимметричной функции модуляции, совпадающей с функцией модуляции в радиолокационной части системы, и усреднения опорного сигнала за несколько периодов измерения, более эффективное использование энергии принятого сигнала.
Преимуществом разработанных методов является то, что схему радиометра можно адаптировать к любой РЛС, входящей в состав ПАРЛС.
Разработана система, обеспечивающая повышение точности измерения ра-диояркостной температуры за счёт исключения влияния на результаты измере-
17 ний помехообразующего (неинформативного) фактора - собственного радиотеплового излучения и коэффициента отражения трёхслойной среды «воздух-вода-металл», образующейся на поверхности отражателя антенны во время дождя.
Пятый раздел посвящен практической реализации разработанных принципов.
С учётом всех рассмотренных критериев определено, что для целей построения ПАРЛС метеорологического назначения наиболее оптимальным является использование самолётных МНРЛС типа «Контур», «Градиент», «Гроза». Разработан макет наземного варианта ПАРЛС, определены её характеристики.
Разработана принципиальная схема устройства формирования реперного сигнала системы оценочно-компенсационной обработки активного канала, демонстрирующая возможность реализации предложенного метода формирования репера. Проработан вопрос встраивания устройства в одну из моделей МНРЛС.
Выполнено имитационное моделирование метода оценочно-компенсационной обработки сигнала активного канала на основе известного и разработанного принципов и проведён расчёт совокупного повышения достоверности получаемой информации. Получены численные значения повышения точности и достоверности измерений при использовании разработанных решений.
Шестой раздел посвящен рассмотрению проблем валидации данных метеорологического мониторинга и разработке аппаратно-алгоритмического обеспечения повышения достоверности измерений.
Проблема валидации данных при метеорологическом мониторинге имеет особо важное значение, поскольку измерения являются косвенными, а объекты исследования представляют собой неустойчивые, пространственно распределённые образования, конкретные характеристики которых невозможно опреде-
18 лить в натурных или лабораторных условиях. Одно из реальных направлений повышения достоверности данных измерений - применение дополнительных средств контроля, обеспечивающих либо получение тех же характеристик (комплексные измерения), либо дополнительных данных, на основании которых можно судить о степени достоверности результатов основных измерений.
. Показаны методические возможности и практическая реализация ряда мер, которые при метеорологическом мониторинге реально обеспечивают валида-цию данных: измерение количества выпавших осадков (как контактными методами, так и косвенными, т.н. «трассовыми», по затуханию радиоволн), анализ спектра капель жидких осадков.
Разработан ряд аппаратно-алгоритмических решений, обеспечивающих повышение достоверности измерений.
Седьмой раздел посвящен разработке методического и технико-алгоритмического обеспечения обработки информативных сигналов и выработке прогностических решений для увеличения безопасности техногенных объектов
Осуществлён синтез методов и алгоритмов автоматизации обработки метеорологической информации. Рассмотрены возможные варианты автоматизации обработки данных, проработана возможная схема сопряжения ПАРЛС с ЭВМ.
Осуществлён синтез квазиоптимальных алгоритмов определения прогностических параметров, обеспечивающих повышение безопасности объектов техногенного происхождения, разработаны вопросы технико-алгоритмического обеспечения обработки информативных сигналов.
Рассмотрены возможности применения средств акустического дистанционного мониторинга. Разработан способ акустического зондирования атмосферы.
С учётом всех разработанных решений и рассмотренных вариантов осуществлён синтез интегральной пассивно-активной радиолокационной контрольно-
19 измерительной информационной системы контроля метеорологических параметров природной среды.
Дана оценка эффективности предложенных решений. Показано, что применение разработанных методов и устройств повышения точности обработки информации обеспечивает повышение безопасности людей и техногенных объектов за счёт увеличения времени на принятие решения о, например, изменении курса самолёта или выполнение команды «Штормовое предупреждение».
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Активный радиотехнический мониторинг метеообъектов
Активные радиометеорологические измерения отличаются от классических радиолокационных наблюдений в первую очередь тем, что основная информация о микрофизических параметрах метеообъекта содержится в амплитуде отраженного сигнала, а не только в его временном положении относительно момента излучения зондирующего импульса. Естественно, что такое отличие приводит к ряду особенностей, как в методах измерения, так и в используемой аппаратуре.
Основным требованием, предъявляемым к обычным радиолокаторам, является требование обеспечения максимально возможной чувствительности приёмника или, иначе говоря, - повышения величины энергетического потенциала станции. При измерениях микрофизических характеристик метеообъектов чувствительность приёмника перестает быть определяющим фактором. Гораздо более значительными становятся требования точности измерения мощности отражённого сигнала и воспроизведение формы этого сигнала.
Известно, что облака и осадки, являющиеся основными объектами исследования в радиометеорологии, будучи полидисперсными средами, состоят из взвешенных и выпадающих капель и ледяных кристаллов, вся совокупность которых, заключённая в некотором объёме, при радиолокационном зондировании воспринимается как единая цель. Однако в реальности эта цель в значительной степени неоднородна, поскольку состоит из большого числа элементарных отражателей - частиц различного фазового состояния, размера, к тому же неравномерно распределенных в пространстве и находящихся в состоянии постоянного относительного перемещения. В результате мощность принятого радиолокационной станцией сигнала изменяется от одного зондирующего импульса к другому [23,43,133,140,152,178,191].
Количество энергии, отражаемое целью, характеризуется эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Суммарная мощность отраженных сигналов опре 28 деляется суммой ЭПР отдельных отражателей, образующих эту сложную цель. С учетом закона распределения гидрометеорных частиц по размерам N(d) ЭПР метеоцели будет иметь вид 7Г5 (1.9) т2 -1 з4 Л d w2 +2 где d - диаметр частицы; т - комплексный коэффициент преломления вещества частиц.
В радиометеорологии параметр ] N(d)d называют отражаемостью облаков и осадков, и обозначают через Z Чаще всего значение Z выражается в мм6/м3, а формула (1.9) представляется в виде оо Z= JN(d)dedd. (1.10) о Радиолокационная отражаемость облаков и осадков связана с основными их характеристиками - водностью облаков wo6 и интенсивностью осадков 1д. Это обусловлено тем, что оба этих параметра зависят от размеров частиц и закона их распределения по размерам. Данные зависимости могут быть представлены следующими выражениями 00 1д=- \N(d)d3 V(d)dd, (1.11) о wo6=-\N(d)d3dd, (1.12) 6 О где р - плотность воды (льда); V(d) - закон распределения скоростей падения капель (определяемый размерами).
Учитывая ярко выраженный региональный характер закона распределения частиц по размерам [43,133,152,191] можно получить различные зависимости взаимосвязи Z, 1д и W0Q. В большинстве случаев эти зависимости можно представить следующим образом Z = B1U, (1.13) ,wo6=Ulb, (1.14) Z = U\%, (1.15) где В, U, U , Р\, /?2, /?з - параметры, изменяющиеся в пространстве и во времени, и зависящие от функции распределения частиц осадков по размерам и от скорости их падения.
Приведенные общие зависимости положены в основу активного радиометеорологического измерения водности облаков и интенсивности осадков.
Однако при практической реализации данного метода возникают сложности, связанные неоднозначностью (неопределенностью) параметров N(d), d, V(d) и изменением их во времени и в пространстве, и, как следствие, изменчи востью величин В, U, U , Р\, Рі Р? - Многочисленные экспериментальные данные результатов одновременных измерений интенсивности дождей и спектров дождевых капель, водности облачных структур, позволили однозначно установить, что между средними значениями коэффициентов В И /? , U и /?2, U и /?з нет взаимной связи, и даже внутри отдельных периодов роста или распада облака, периодов выпадения осадков, они могут изменяться в широких пределах.
В настоящее время накоплено большое количество данных о значениях параметров в различных районах земного шара [43,133,152,191]. Так в [133] рекомендуется для всех случаев выпадения осадков использовать соотношение Z = 275/] 4, (1.16) а в [152,191] приводятся зависимости для умеренных широт, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными: - для дождя Z = 200/] 6; (1.17) - для снега Z = 2000/J; (1.18) - для облаков с d 29 мкм и w = 1,3 г/м Z = 0,048w . (1.19)
Сложность выявления изменчивости параметров соотношений (1.13), (1.14), (1.15) может быть объяснена тем, что параметры функции распределения час зо тиц по размерам зависят также от микроструктуры облаков, расположенных ниже нулевой изотермы; от свойств подоблачного пространства; от расстояний, которые проходят частицы в облаке и под облаком. В качестве иллюстрации можно рассмотреть представленные в [133] графики относительной изменчивости 1д и Z с высотой при падении капель в облаке и подоблачном пространстве (рис. 1.1).
Рассматриваемые графики получены в результате модельных расчетов относительной изменчивости интенсивности и радиолокационной отражаемости при падении частиц жидких осадков в слое облака толщиной 1 км (А//]) с водностью 0,2 г/м и в подоблачном пространстве толщиной 1 км (АН2) с относительной влажностью 90%. Из сопоставления кривых следует, что интенсивность осадков в конце пути практически не изменяется, однако отражаемость зоны осадков увеличивается примерно в 2,5 раза.
Метрологическое обеспечение
Исходя из вышеперечисленного, цель диссертационной работы заключается в научном обосновании и разработке методов построения и применения радиотехнических пассивно-активных дистанционных систем метеорологического мониторинга природной среды.
Исходя из цели работы, задачами исследования являются: - анализ принципов активного и пассивного радиотехнического мониторинга метеообъектов и их роли в системах управления некоторыми метеорологическими и метеозависимыми процессами, в исследованиях природной среды и метеорологическом прогнозировании; - разработка методик определения интегральных метеорологических параметров при использовании пассивно-активных радиотехнических дистанционных систем; - анализ и разработка методов и аппаратных решений совмещённого построения оптимальных пассивно-активных радиометеорологических контрольно-измерительных систем, обеспечивающих повышение точности радиометеорологических измерений; - экспериментальная реализация разработанных теоретических решений; - оценка эффективности применения комплекса разработанных решений; - выработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию пассивно-активных радиометеорологических дистанционных контрольно-измерительных систем. Выводы
1. Проанализированы и систематизированы принципы активного, пас сивного и пассивно-активного метеорадиолокационного мониторинга при родной среды. Показано, что раздельное применение активных и пассивных методов измерения параметров различных метеорологических образований хотя и позволяет решать широкий круг задач исследовательского и приклад ного характера, однако обладает рядом ограничений, преодолеть которые можно путём создания совмещенных пассивно-активных радиолокационных систем, обеспечивающих получение интегральных характеристик об иссле дуемых объектах.
2. Проанализированы и систематизированы принципы функционирования систем управления метеорологическими или метозависимыми процессами, определено место пассивно-активных радиометеорологических контрольно-измерительных средств в структуре таких систем.
3. Вся совокупность используемых при проведении измерений технических параметров ПАРЛС, а также действующих факторов взаимовлияния, классифицирована как комплекс информативных векторов, неинформативных (мешающих) векторов, векторов обстановки и внутреннего взаимодействия. С учетом указанного разбиения определена обобщенная схема пассивно-активной радиолокационной контрольно-измерительной метеорологической системы.
4. Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка методов построения и применения радиотехнических пассивно-активных дистанционных систем метеорологического мониторинга природной среды.
Объединение различных устройств в единую систему приводит к необходимости решения проблем, которые уже были решены для каждой из них в отдельности, но не рассматривались применительно к новообразованной. Существенное место среди этих проблем занимает вопрос вторичной обработки сигналов пассивного и активного каналов с целью получения оценки параметров. Иначе говоря, необходимо решить проблему синтеза методик обработки результатов совместных измерений.
Кроме того, следует рассмотреть проблемы метрологического обеспечения новой системы и дать оценку критериям эффективной работы.
Как уже отмечалось, вид алгоритмов обработки информации в значительной степени зависит от конкретных решаемых задач и может меняться в соответствии с уточнёнными значениями параметров.
Важность этого вопроса обусловлена тем, что отсутствие или недостаточная проработанность методического обеспечения совмещённой системы может частично или полностью обесценить получаемую в результате измерений информацию о метеорологических явлениях и процессах.
Рассмотрим сначала основные характеристики для определения результатов измерений. Пусть измеряемая пассивно-активной системой величина yt, определяемая комплексом, нелинейно зависит от составляющих измерений где f(x\,x2,x2,t) - функция, определяющая гипотетический алгоритм измерений; х{,х2 - векторы параметров, измеряемых активным и пассивным каналами соответственно; лг3 - вектор параметров, характеризующих масштаб функции /(); ( - погрешности измерений и вычислений.
Задача определения величины yt по измеряемым параметрам х\,хг относится к классу косвенных измерений [175]. Отметим, что в большинстве случаев прямые измерения в радиолокационной метеорологии осуществлять невозможно, т.к. физическая природа измеряемых параметров и искомых величин различна. Функция /() как раз устанавливает связь между радиолокационными и метеорологическими параметрами. Вид функции /() и вектор х3 в задачах метеорологического наблюдения подбираются, как правило, эмпирически, путём усреднения экспериментальных данных. Неточность в их определении приводит к появлению методической погрешности.
Если рассматривать общий вид функции /() применительно к пассивно-активным радиометеорологическим измерениям, то следует сразу сделать очевидный вывод: функция определяется типичной задачей, для решения которой и создавалась ПАРЛС, т.е. определение гипотетической величины yt в (2.1) -профиля водности облаков вдоль линии визирования (1.23)
Методы калибровки метеорологических РЛС с точки зрения современных положений метрологии
Другим важным фактором, влияющим на точность измерений, является характер распределения мгновенных значений амплитуд эхо-сигналов. Принято считать [23,70], что чаще всего это распределение бывает релеевским. Однако, как следует из [191], нередки случаи существенного отклонения от этого распределения.
При различных распределениях амплитуд эхо-сигналов значение Рг, формируемое совокупностью А}, будет иметь различное математическое ожидание. В результате может наблюдаться существенное различие между мгновенным и средним значениями мощности эхо-сигнала. В соответствии с работами [23,191] это различие в некоторых случаях может достигать 20...25 дБ. Кроме того, логарифмическое преобразование в УПЧ трансформирует закон распределения, в результате чего мощность принятого сигнала, измеренная на выходе интегратора, отличается от истинной. Иначе говоря, средний логарифм мощности оказывается смещенным относительно логарифма средней мощности. Применительно к релеевскому распределению имеем [167,246] (Й Р) = 18(ЛГГ), (3.29) где VQ - постоянная Эйлера.
Величина смещения v [см. формулу (1.22)], выраженная в дБ, v = -10v0 \ge = - 2,51 дБ, что составляет ошибку, равную 78%. Такое же значение (2,5 дБ) приводится и в работе [70].
Если бы релеевское распределение было справедливо для всех метеоцелей, учет этой погрешности не составил бы труда. Однако, как уже говорилось, очень часто закон отличается от релеевского. В этом случае величина погрешности может отличаться от опорного (2,51 дБ). Результаты численных расчетов по прохождению различных эхо-сигналов представлены в таблице 3.2.
Анализ формы распределений эхо-сигналов позволил сделать следующий вывод: чем больше закон распределения отличается от релеевского (чем больше коэффициент эксцесса), тем больше погрешности из-за незнания закона распределения. Максимальная ошибка для известных нам законов составляет «1,5 дБ, что соответствует « 41%.
Интересно отметить, что для слабо флюктуирующих целей смещение в оценке средней мощности невелико и может составлять десятые доли децибелл (например, морось с местником). Для таких целей можно было бы вообще не вводить поправку (минус 2,51 дБ), т.к. ошибка смещения гораздо меньше поправки. Однако из-за незнания закона распределения сделать этого нельзя.
Таким образом, при разработке схемы системы необходимо предусмотреть меры, позволяющие компенсировать эту погрешность.
При рассмотрении методов калибровки отмечалось, что одним из наиболее точных и перспективных является метод относительной калибровки, при котором отсчёт мощности принятого сигнала осуществляется не от уровня шумов приёмника, а от реперного сигнала, формируемого встроенным генератором и соответствующего строго определённой части мощности передатчика. Как указано в [169] погрешность такой калибровки снижена до 1,7 дБ.
Если реперный сигнал на выходе приёмника имеет уровень Аризм, то уровень эхо-сигнала Аэ при такой калибровке определяется по формуле э = Ар МІМ Ацзм- (3.30) Предположим, что Ар - истинное значение амплитуды реперного сигнала, поступающего на вход приёмника. При условии постоянства параметров МРЛ (в том числе и Pt), измеренное значение реперного сигнала Аршм определится соотношением, аналогичным (3.23) f{AD)-F{AD) \f"(AD) А»шм = Ап + J—- K—PL + LJ Р} а1 (3.31) р.шм р F(A 2 р(А t к ) Отсутствие флюктуационного члена объясняется тем, что в соответствии со сделанными выше предположениями дисперсия реперного сигнала ар = 0.
Из (3.31) видно, что измеряемое значение реперного сигнала отличается от истинного, причём эти отличия обусловлены нелинейностью характеристики приёмного тракта. Для оценки (3.31) справедливы те же рассуждения, что и для оценки сигнала.
Рассмотрим точность измерения реперного сигнала. Поскольку калибровочный сигнал на 18...20 дБ (по мощности) превышает эхо-сигнал, то ошибкой за счёт шума можно пренебречь и основная доля погрешности приходится на неидеальность реализации логарифмической характеристики. Тогда из (3.31) имеем V . = ± [lnx + lnl0]. (3.32) Принимая Ар « 100А « 350, что соответствует превышению реперного сигнала над уровнем эхо-сигнала на « 40 дБ, из (3.32) получим Аршм = 350 ± 143.
Таким образом погрешность фиксации мощного калибровочного сигнала может быть значительной и в рассматриваемом примере составляет от плюс 41 до минус 69%, что соответствует ошибке в 3,2 дБ. При этом легко заметить, что с увеличением амплитуды ошибка отсчёта увеличивается.
Проведённые расчёты показывают, что представленный в [36,169] способ относительной калибровки не обеспечивает погрешность калибровки на уровне 1,7дБ, поскольку только погрешность, обусловленная нелинейностью характеристики УПЧ, достигает 3,2 дБ (110%). При этом, как оговорено ранее, параметры станции считаются постоянными.
Естественно предположить, что в действительности параметры передатчика можно считать стабильными лишь с некоторым допущением. Как уже отмечалось, перепад мощности может достигать 3 дБ. Очевидно, что быстрые изменения Pt не всегда могут быть оперативно отслежены. Например, в рассматриваемом методе [36,169] в регулирующей цепи устройства формирования репера используется синхронно-следящая система с электродвигателем в качестве исполнительного элемента. Быстродействие такой системы невелико. В результате среднее значение Рк может быть смещено, что приведёт к возникновению погрешности калибровки.
Повышение точности получения и обработки радиолокационной информации
При анализе погрешностей измерения радиолокационной отражаемости, обусловленных способом калибровки, отмечалось, что:
1) формирование репера с помощью дополнительного генератора или из гетеродинного сигнала посредством модуляции с последующим выделением гармоники, как это осуществляется в наиболее перспективном методе относи тельной калибровки [36,166], приводит к трудноучитываемым погрешностям. Эти погрешности обусловлены быстрыми изменениями мощности и частоты зондирующего импульса, а также различием спектров излучаемого и калибро вочного сигналов. В результате определение величины Рг осуществляется со значительными отклонениям.: от истинного значения, причём величина этих отклонений будет непостоянной;
2) метод так называемой "относительной калибровки" с точки зрения современных положений метрологии не может рассматриваться как собственно калибровка и, скорее всего, должен относиться к методам оценочно компенсационной обработки сигналов [146,147].
С целью учёта второго из перечисленных замечаний в дальнейшем, рассматривая т.н. метод "относительной калибровки", будем говорить о методе оценочно-компенсационной обработки сигнала. Такой подход в свете сделанных в [146,147] выводов представляется единственно разумным, хотя автором данной работы и осуществлены разработки (на уровне изобретений) именно с названием "калибровка", опубликован ряд работ по анализу и развитию метода "относительной калибровки". При этом, для сохранения единства подхода с указанными разработками сохраним термин "репер", означающий в данном случае опорный (контрольный, эталонный и т.д) сигнал (уровень), используемый для оценки и компенсации.
С целью устранения первого из отмеченных недостатков - неоднозначности в определении радиолокационной отражаемости - осуществлён синтез совокупности способов и устройств оценочно-компенсационной обработки сигнала ("калибровки"), позволяющих компенсировать отмеченные погрешности.
Новизна разработанного комплекса мер состоит в том, что для устранения различия в спектральных характеристиках излучаемого и реперного сигналов последний формируется из "гаразитного" (неинформативного в обычных условиях) импульса, просочившегося на вход приёмной части активного канала в момент излучения зондирующего импульса. Принципиальная возможность такого подхода обоснована в работе [52], конкретное описание предлагаемых решений представлено в работах [14,20,21,57,114,122,153,155,204,240,241].
На рис. 4.1 показан первый вариант устройства [21]. Устройство работает следующим образом. Зондирующий импульс, выработанный передатчиком, через антенный переключатель (АП) и направленный отвётвитель (НО) подается в антенну, где излучается в пространство. Кроме того, часть энергии со второго выхода направленного ответвителя попадает на первый вход блока сравнения (БС). Одновременно часть энергии зондирующего импульса просачивается через АП в приемный тракт, поступает на первый вход блока регулировки мощности (БРМ) и с его первого выхода подается на второй вход БС.
Сигнал ошибки, определяемый разностью сигналов на первом и втором входах БС, через ключ поступает на второй вход БРМ, благодаря чему осуществляется регулировка уровня сигнала, поступающего на вход приемника со второго выхода БРМ. Ключ пропускает управляющее напряжение с выхода БС на второй вход БРМ в момент поступления на его управляющий вход синхроимпульса с выхода синхронизатора (Сх).
С выхода приёмника реперный сигнал через управляемый синхронизатором ключ поступает на интегратор и после осреднения подаётся на второй вход блока вычитания (БВ)
Отражённые эхо импульсы принимаются антенной и, пройдя через НО, АП, БРМ и приёмник, поступают на первый вход БВ. После сравнения с репером этот сигнал подаётся на устройства вторичной обработки.
Кроме того, на устройства вторичной обработки могут подаваться раздельно реперный и эхо-сигнал.
Благодаря наличию в схеме устройств регулировки мощности решается задача поддержания на постоянном уровне отношения Р( т IР . Таким образом, процесс обработки сигнала осуществляется в соответствии с уравнениями (2.14)-(2.16).
Поскольку управляющий сигнал на второй вход БРМ подаётся (благодаря наличию ключа) только в момент излучения зондирующего импульса, то БРМ не мешает свободному прохождению измеряемых сигналов на вход приёмника.
Однако, наряду с преимуществами схема имеет и ряд недостатков. Для реализации данного способа в схему должны быть введены: направленный ответвитель, блок сравнения, ключ и блок регулировки мощности. При этом, в слу чае оборудования данным устройством ПАРЛС, создаваемой на базе действующего серийного радиолокатора, неизбежны достаточно серьёзные изменения в волноводном тракте, которые не всегда возможны ввиду очень плотной компоновки блока (например, в самолётных МНРЛС "Гроза", "Градиент", "Контур" и т.п.).
Кроме того, наличие двух элементов регулирования (блока сравнения и блока регулирования мощности) обусловливает зависимость постоянства величины Кк от стабильности параметров этих блоков, что подразумевает либо наличие постоянной погрешности, вносимой этими блоками, либо применение дополнительных мер стабилизации, ещё более усложняющих блок, приводящих к увеличению стоимости устройства и всей системы.
От перечисленных недостатков свободна схема устройства обработки, приведённая на рис. 4.2 [153]. Отличие состоит в том, что функции регулятора отношения PtzIРк выполняет управляемый выключатель (УВ). В момент излучения зондирующего импульса с выхода синхронизатора на его управляющий вход подаётся запирающий импульс, благодаря чему просочившийся неинформативный импульс ослабляется до уровня, достаточного для использования его в качестве реперного. Поскольку "закрытый" УВ вносит строго определённое затухание, а мощность просочившегося сигнала однозначно связана с мощностью излучаемого сигнала, решается задача поддержания постоянства величины Кк.
Управляющий сигнал на УВ подаётся только в момент излучения зондирующего импульса, следовательно, не происходит ослабления информативных эхо-сигналов.
Управляющий сигнал формируется таким образом, чтобы "запирание" УВ произошло несколько ранее, а "отпирание" - несколько позднее момента излучения зондирующего импульса (рис. 4.3). Этим обеспечивается защита смесительных диодов приёмной части РЛС от просочившегося импульса и обеспечи вается стабильность величины Кк. Потери дальности возможного обнаружения за счёт такого увеличения длительности импульса незначительны (в пределах 150...250 м).
