Введение к работе
Актуальность. Методы пассивной радиометрии в радиофизических исследованиях получили широкое развитие в начале 50-60 годов. Развитие радиометрических методов было связано с успехами их применения в радиоастрономии, в исследованиях условий распространения радиоволн в природных средах, дистанционных исследованиях окружающей среды по наблюдаемой интенсивности собственного теплового радиоизлучения и в технике антенных измерений. Практика применения в микроволновом диапазоне длин волн метода пассивной радиометрии при исследованиях окружающей среды и в технике антенных измерений выявила ряд ограничений этого метода по точности измерений, связанных с условиями формирования сигнала от объекта (контраста) АТод относительно
излучения фона (сцены). Максимальный контраст наблюдается от металлических объектов на фоне естественных покровов с высокой излучательной способностью, отражающих в направлении приемной антенны излучение атмосферы из направления зенита АТоб =Т0- Тапп1 В микроволновом
диапазоне длин волн эти ограничения в ряде случаев носят принципиальный характер. Эти ограничения определяются существенным уменьшением контраста от объекта при наблюдениях в частотных диапазонах вблизи линий поглощения атмосферных газов, особенно в неблагоприятных метеоусловиях, что существенно снижает возможности применения методов пассивной радиометрии при исследованиях окружающей среды и в антенных измерениях В наибольшей степени эти ограничения проявляются при проведении радиометрических измерений в лабораторных условиях. Аналогичные ограничения возникают в длинноволновом диапазоне длин волн при наблюдениях объектов на фоне атмосферы за счет роста интенсивности распределенного фонового космического излучения
Определение физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым радиационным контрастам в микроволновом диапазоне длин волн связано также с необходимостью учета технических характеристик приемной антенны и средств измерений. Кроме того, в связи с освоением терагерцового диапазона длин волн, указанные выше ограничения на условия формирования сигнала от исследуемых объектов являются определяющими при исследованиях природной среды, что существенно уменьшает эффективность применения методов пассивной радиометрии при радиофизических исследованиях объектов окружающей среды как в условиях натурных наблюдений, так и в условиях закрытых помещений
Поиск направлений в преодолении ограничений метода пассивной радиометрии и расширении рабочего диапазона длин волн представляется чрезвычайно актуальной задачей
Другой актуальной задачей на современном этапе развития
методов пассивной радиометрии является повышение точности
определения физических параметров исследуемых объектов по
наблюдаемым контрастам с поляризационными
характеристиками, существенно отличающимися от фонового излучения за счет исключения неопределенности параметров измерительной радиометрической системы и уменьшения влияния вариаций условий контрастообразования на результаты измерений Одним из направлений преодоления существующих ограничений методов пассивной радиометрии является развитие метода поляризационных радиометрических измерений, который был разработан и впервые реализован в НИРФИ для дистанционного контроля температуры водной поверхности по наблюдаемой интенсивности собственного теплового излучения на ортогональной поляризации
Указанные выше обстоятельства дают основания считать, что тематика исследований, представленная в диссертации, является актуальной для современной радиофизики в части, которая связана с развитием радиометрических методов в
исследованиях окружающей среды и технике антенных измерений
Цели работы
1 Развитие метода пассивно-активной радиометрии и
принципов построения устройств пассивно-активной
радиометрии, обеспечивающего высокую точность измерений
параметров антенн в широком диапазоне длин волн, включая
микроволновый диапазон длин волн вне окон прозрачности
атмосферы, который сравним по точности с методом калибровки
по «черным» дискам
2 Развитие поляризационных радиометрических методов
дистанционных измерений физических параметров двухслойных
сред на поверхности воды, методически исключающих влияние
характеристик приемной антенной системы и существенно
уменьшающих влияние вариаций метеорологических условий на
формирование поляризационных контрастов, а также разработка
устройств дистанционных измерений параметров разливов
нефти на поверхности воды по наблюдаемым поляризационным
контрастам
Научная новизна. Достижение поставленных целей в области дистанционного зондирования и антенных измерений в диссертации предложено решать меюдом пассивной и пассивно - активной радиометрии с использованием подсветки объекта исследований мощным источником широкополосного шумового сигнала Эффективность метода пассивно-активной радиометрии была впервые продемонстрирована при измерениях коэффициента отражения эталонного «черного» диска в составе комплекса абсолютных измерений по методу «искусственной» Луны, когда в качестве источника внешней шумовой подсветки использовалось радиоизлучение Солнца
Совершенствование СВЧ технологий и разработка промышленных электронных твердотельных генераторов широкополосного шумового сигнала в НИИ «Исток» положило основу развития направления пассивно-активной радиометрии и
практического применения пассивно-активной радиометрии, которое было развито в работах сотрудников ИРЭ РАН Тищенко Ю Г , Полякова В М и Калинкевича А А, а также в работах сотрудников ЦНИИРЭС, ВНИИТрансмаш, НИРФИ и ИПФ РАН для решения задач измерения параметров антенн радиофизическими методами, медицинской диагностики, исследований внутренней структуры пространственно неоднородных сред и подповерхностного зондирования, в измерениях отражательных характеристик объектов
Решение задачи по развитию метода пассивно-активной
радиометрии потребовало рассмотрения основных
энергетических соотношений, которые связывают мощность сигнала подсветки с мощностью эхо-сигнала, отраженного объектом исследований в направлении приемной антенны Принципы метода пассивно-активной радиолокации близки принципам традиционной радиолокации, однако отличаются от последней спецификой широкополосного шумового сигнала подсветки Практическая реализация метода пассивно-активной радиометрии потребовала развития принципов построения систем пассивно-активной радиометрии и проведения оценки предельно достижимых характеристик пассивно-активных систем
Дальнейшее развитие радиометрических методов дистанционного зондирования по определению физических параметров исследуемых объектов окружающей среды, для которых влияние параметров приемной антенной системы и аппаратуры на измеряемые физические параметры объектов методически исключаются, представлено на примере дистанционных измерений параметров разливов нефти на поверхности воды методом поляризационных контрастов в микроволновом диапазоне длин волн.
Необходимо отметить, что многие методические вопросы определения толщины пленки нефти методами пассивной радиометрии оставались открытыми, что тормозило внедрение результатов исследований в практику измерений толщины
пленки нефти в разливе на поверхности воды, являющуюся актуальной при разработке радиометрических приборов экологического контроля в районах чрезвычайных ситуаций Теоретические основы радиоизлучения двухслойных сред были рассмотрены достаточно подробно, однако развитые и апробированные методы радиометрического зондирования (метод радиационных контрастов, метод частотного анализа и другие) имеют существенные ограничения по точности измерений параметров разлива нефти, т к оценки значений контролируемых парамеїров разлива нефти требовали для определения толщины пленки нефти по наблюдаемым радиационным контрастам привлечения расчетных параметров излучения атмосферы и параметров приемной антенны Проблему измерений физических параметров пленки нефти в разливе на поверхности воды в диссертации предложено решать с применением радиометрического метода поляризационных контрастов, эффективность которого была впервые продемонстрирована при дистанционных измерениях температуры водной поверхности
Решение задачи по развитию радиометрического метода поляризационных контрастов для контроля параметров разливов нефти на водной поверхности в отсутствии волнения потребовало как рассмотрения условий формирования радиационного контраста участка с разливом нефти в микроволновом диапазоне длин волн относительно опорной области, так и проведения экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях. Реализация поляризационного радиометрического метода для контроля параметров разлива нефти вызвала необходимость разработки приемной аппаратуры, автоматизированной системы обработки данных и создания стендового оборудования для отработки методики проведения исследований
В данной работе акцент ставился на дальнейшее развитие методов пассивной и пассивно-активной радиометрии, а также на выработку рекомендаций к техническому решению приборов
промышленного применения в интересах государственных органов экологического контроля
Представленные в диссертации результаты развития методов пассивной и пассивно-активной радиометрии защищены авторскими свидетельствами и патентом
Развитый в диссертации метод пассивно - активной радиометрии и дальнейшее развитие радиометрического метода поляризационных контрастов существенно расширяют возможности традиционных методов радиометрии в исследованиях окружающей среды и технике антенных измерений, повышают их точность и оперативность, что позволяет получить новую информацию о физических характеристиках исследуемых сред Полученные в диссертации новые результаты, можно определить как крупное научное достижение - разработка и развитие новых методов физических исследований, создание новых аппаратурных комплексов и устройств, имеющих большое народно хозяйственное значение, значительно повышающих возможности дистанционных измерений в области экологического мониторинга и в области антенных измерений Представленные в диссертации результаты измерений поляризационных контрастов радиоизлучения водной поверхности с пленкой нефти получены впервые и их приоритет получил международное признание
Научное и практическое значение
Практическое значение проведенных разработок заключается в следующем
а) Для решения задач антенной техники
- Разработаны и развиты методы пассивно-активной радиометрии для абсолютной калибровки эффективной площади антенн при подсветке отражателя с известным радиолокационным поперечником рассеяния внешним источником широкополосного шумового сигнала Показано, что в однопозиционной схеме пассивно-активной радиометрии эхо-сигнал при определенных условиях является эталонным при абсолютных измерениях эффективной площади антенны.
- Сравнением результатов одновременных измерений
эффективной площади антенны РТН-7 по методу
«искусственной Луны» и по методу пассивно-активной
радиометрии - показано, что данные методы обеспечивают
сопоставимую абсолютную точность измерений эффективной
площади антенн 2-3%
- Показано, что метод пассивно - активной радиометрии
позволяет проводить дистанционные измерения коэффициента
отражения эталонов излучения «черных» дисков, что обеспечило
введение в строй радиоастрономического комплекса в составе
вантового радиотелескопа РТВС-12 и «черного» диска
диаметром 5 м для абсолютных измерений плотности потоков
внегалактического радиоизлучения в метровом диапазоне длин
волн.
Изучены физические условия формирования радиационных контрастов при подсветке объектов шумовым сигналом и развиты принципы построения однопозиционной и двухпозиционной пассивно-активных систем в технике антенных измерений Представлен анализ ограничений метода пассивно-активной радиометрии при однопозиционной и двухпозиционной схеме дистанционного зондирования параметров окружающей среды
Обосновано и показано, что для однопозиционной схемы пассивно-активной радиометрии потенциал метода ограничен по дальности зондирования предельно возможным уровнем сигнала подсветки за счет конечной развязки между сигналом подсветки и входным трактом радиометра.
Показано, что при двухпозиционной схеме пассивно-активной радиометрии ограничения на величину сигнала подсветки уменьшаются на 8 порядков, что существенно увеличивает дальность измерений
Решена задача измерений диаграммы направленности антенн методом пассивно-активной радиометрии. Показано, что использование метода пассивно-активной радиометрии позволяет измерять диаграммы направленности антенн в
частотном диапазоне вне «окон прозрачности» атмосферы, а использование активных отражателей позволяет, в принципе, проводить исследования характеристик антенн с большой апертурой раскрыва, в том числе антенн космического базирования при использовании активных радиолокационных отражателей - АРК
- Решена в аналитическом виде обратная задача и
разработан алгоритм определения диаграммы направленности
антенны в пределах главного и первых боковых лепестков по
форме сигнала на выходе радиометра при сканировании
протяженного источника с размерами, сопоставимыми с
шириной диаграммы направленности. Проведено численное
моделирование и определены в реальном масштабе времени
средние значения и погрешности таких параметров- ширина
диаграммы, направление электрической оси, уровень боковых
лепестков по методу приближения наименьших квадратов, что
позволяет существенно повысить эффективность контроля
параметров антенн в процессе измерений в режиме пассивно
активной радиометрии
б) для решения задачи дистанционных измерений
Развит и реализован метод прецизионных дистанционных измерений поляризационных характеристик радиоизлучения пленок нефти на поверхности воды в отсутствии волнения, который по сравнению с известным методом интенсивности и спектральным методом позволяет исключить влияние параметров приемной антенной системы, а также вариаций собственного излучения атмосферы на измеряемые параметры пленок нефти на воде
- Разработан алгоритм исключения неоднозначности
измерений толщины толстых пленок нефти на поверхности воды
по данным наблюдений на двух углах визирования или на трех
частотах, а также выработан критерий оптимального выбора
рабочих частот измерений, что позволяет существенно
расширить диапазон однозначных измерений толщины пленки
нефти
- Решена задача построения пассивно - активных
радиометрических систем, в которых реализуются
одновременный режим независимых измерений в пассивном
режиме и в режиме активной подсветки, что обеспечивает
получение данных как об излучательных, так и отражательных
характеристиках исследуемых объектов
в) Для решения задачи по разработке действующих макетов радиометрических приборов дистанционного контроля параметров разливов нефти по данным измерений поляризационных контрастов в натурных условиях
Созданы стенды для лабораторных измерений методом пассивно-активной радиометрии поляризационных контрастов пленок нефти на поверхности воды, а также для проведения поверочных испытаний приборов контроля параметров разливов нефти Проведены экспериментальные измерения излучательной способности пленок нефти в диапазоне толщины от 0 до 12 мм при вертикальном зондировании и поляризационных контрастов при зондировании под углом 55 на ортогональной поляризации Данные стенды могут быть использованы для проведения дистанционных исследований излучения водной поверхности при наличии загрязнения и при наличии волнения
Предложен алгоритм исключения влияния облачности на точность измерений поляризационных характеристик излучения водной поверхности с разливами нефти при проведении обзорных наблюдений с борта воздушного носителя Данный алгоритм может быть использован в перспективных разработках обзорных систем экологического мониторинга бортового и наземного базирования
- Разработаны структурные и технические решения
промышленных образцов двухчастотного радиометрического
прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности
воды типа «КТС-ПРМ» и трехчастотного радиометрического
прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности
воды типа «ПРИНТ-3», которые сертифицированы и
утверждены Госстандартом РФ как средства измерений.
Разработана промышленная партия приборов «ПРИНТ-3», которые включены в состав технических средств региональной сети экологического мониторинга разливов нефти в составе 9 отделений Управления по охране окружающей и природной среды Ханты-Мансийского автономного округа
Разработки систем автоматического управления измерительно-вычислительных комплексов на базе микро-ЭВМ, автоматизированных методик измерений параметров антенн в микроволновом диапазоне длин волн, математического и программного обеспечения измерений могут быть полезны в практической работе различных групп исследователей, занимающихся не только тематикой дистанционных и антенных измерений
Кроме того, результаты диссертации могут быть практически использованы при разработке систем радиовидения микроволнового и терагерцового диапазонов длин волн, медицинской диагностики, широкополосных систем радиосвязи и систем технологического контроля в различных областях науки и техники
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Развит и апробирован в дистанционных антенных измерениях пассивно-активный метод абсолютной калибровки эффективной площади антенн с подсветкой эталонного отражателя широкополосным шумовым сигналом, который сопоставим по точности абсолютных измерений с методом «черных» дисков - 2-3%
-
Разработка принципов построения и технической реализации однопозиционной и двухпозиционной схемы пассивно-активной радиометрии, а также результаты оценки предельной точности измерений параметров антенн и дистанционного зондирования физических характеристик природных сред
-
Разработка пассивно-активного радиометрического метода для определения в реальном времени параметров
антенных систем (ширина диаграммы направленности, положение электрической оси, точности наведения, уровня боковых лепестков антенны) при сканировании через протяженный источник.
-
Разработка и реализация метода поляризационных контрастов для дистанционных измерений характеристик радиоизлучения двухслойных сред на примере определения параметров разливов нефти на поверхности воды в отсутствии волнения, позволяющего по сравнению с известными радиометрическими методами исключить влияние параметров приемной антенной системы и вариаций метеоусловий на измеряемые параметры пленок нефти на воде
-
Разработка принципов построения, структурных и технических решений промышленных образцов двухчастотного поляризационного радиометрических приборов типа «КТС-ПРМ» и трехчастотного типа «ПРИНТ-3» для контроля параметров разливов нефти на поверхности воды, сертифицированных и утвержденных Госстандартом РФ как средства измерений, и разработка стендов метрологического обеспечения для проведения натурных и поверочных испытаний приборов контроля параметров разливов нефти
Апробация работы.