Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и устройства контроля метеорологических параметров атмосферы 14
1.1. Системы метеорологических наблюдений 14
1.2. Прогностические критерии системы управления 20
1.3. Радиотехнические методы исследования атмосферных явлений 27
1.3.1. Активный мониторинг метеообъектов 27
1.3.2. Пассивный мониторинг метеообъектов 32
1.4. Методы и средства пассивно-активного мониторинга метеообъектов 35
1.5. Оценка информации радиометеорологических ИИС 46
1.6. Выводы 50
2. Анализ и синтез устройств пассивно-активного радиометеорологического мониторинга атмосферы 51
2.1. Структура ПАРМС 51
2.2. Анализ и синтез элементов ПАРМС 55
2.2.1. Анализ и синтез радиометрических приемников 55
2.2.2. Радиометр с совмещением функций модуляции и преобразования частоты в балансном смесителе 60
2.2.3. Калибровка радиометрических систем 63
2.2.4. Пассивно-активная радиометеорологическая станция 67
2.2.5. Оптимизация пассивного канала радиометеорологической станции 71
2.3. Анализ и синтез алгоритмов определения водности атмосферных образований в пассивно-активной радиометеорологии 77
2.4. Критериальный анализ при распознавании опасных метеоявлений 83
2.5. Выводы 90
3. Практическая реализация разработанных принципов 91
3.1. Выбор базовой станции для ПАРМС 91
3.2. Разработка макета метеорологической пассивно-активной радиотехнической измерительной системы 95
3.3. Разработка системы калибровки активного канала 104
3.4. Оценка степени повышения точности и достоверности измерений 109
3.4.1. Информативный выигрыш активного канала. 110
3.4.2. Информативный выигрыш пассивного канала. 111
3.5. Выводы 114
4. Рекомендации по дальнейшему совершенствованию радиометеорологических систем 115
4.1. Автоматизация обработки данных 115
4.2. Пути повышения точности измерения радиометрического канала 118
4.3. Информационные возможности многомерных радиометрических измерений 122
4.3.1. Возможности применения поляризационных измерений 123
4.3.2. Разработка компенсатор кроссполяризационных помех 125
4.4. Исследование влияния искусственной среды - антенного обтекателя
на радиосигнал, несущий полезную информацию 129
4.5. Оценка эффективности получения и обработки информации
в пассивно-активных радиометеорологических системах 13 5
4.6. Выводы 137
Заключение 138
Список использованной литературы
- Радиотехнические методы исследования атмосферных явлений
- Радиометр с совмещением функций модуляции и преобразования частоты в балансном смесителе
- Разработка макета метеорологической пассивно-активной радиотехнической измерительной системы
- Информационные возможности многомерных радиометрических измерений
Введение к работе
Радиотехнические методы широко используются в различных областях науки и техники. Радиоаппаратура применяется не только для передачи радиосигналов, но и при проведении всевозможных измерений. Возможность проведения дистанционных измерений с передачей сигналов на большие расстояния, представление результатов измерений в удобном для потребителя виде, высокая надёжность радиоэлектронных средств - всё это и определяет тот интерес, который проявляют в различных научных направлениях к созданию новых образцов радиоизмерительной техники. Одно из направлений, в котором радиотехнические устройства нашли применение с момента изобретения радиосвязи - метеорология.
Большинство сформировавшихся к настоящему времени радиотехнических методов дистанционного исследования метеопараметров атмосферы объединяются общим названием «радиометеорология». В целом дистанционные радиометеорологические системы можно разделить на два вида: пассивные и активные. Пассивные системы осуществляют измерение собственного излучения метеообъектов и позволяют решать задачи исследования распределения жидко-капельной влаги в поле облаков и окружающем пространстве, определять уровень напряжённости электрического поля и т.п. Первым радиометеорологическим прибором фактически являлся радиоприёмник А.С. Попова, использованный в качестве грозоотметчика. Активные системы используют принципы локации с последующим анализом отражённых сигналов, и применяются для получения количественной информации о жидких и твердых осадках, исследования облаков, изучения атмосферной турбулентности, гроз, шквалов, ветра и т.п.
Всё возрастающие требования к количеству и качеству получаемой информации привели к созданию совмещённых пассивно-активных радиометеорологических систем (ПАРМС), позволяющих за счёт соответствующей обработки получаемой информации взаимно компенсировать недостатки,
присущие каждой из систем в отдельности, что существенно повышает достоверность извлекаемой информации.
Теоретическая и практическая проработка основных принципов построения и применения пассивно-активных систем была осуществлена в работах Степаненко В.Д., Щукина Г.Г., Горелика А.Г., Абшаева М.Т., Фалина В.В. Бул-кина В.В. и ряда других авторов. Данное направление радиометеорологии продолжает эффективно развиваться и насущной необходимостью является продолжение исследований и решение ряда теоретических и прикладных задач по совершенствованию систем. Например, в пассивных радиометрических приемниках не решены вопросы одновременного повышения чувствительности и обеспечения стабильности коэффициента передачи; только для одного частного случая схемотехнического построения ПАРМС решены вопросы внутрисистемной электромагнитной совместимости.
Еще одна из проблем, требующая своего разрешения - повышение точности измерений, которая достаточно часто зависит от стабильности основных показателей радиотехнической системы. Решение ее возможно за счет создания надежных методов и средств калибровки радиометеорологических приемников, а также алгоритмов и устройств обработки радиометеорологической информации, в том числе - для решения прикладных задач.
Перечисленные обстоятельства позволяют сделать вывод о том, что рассматриваемая тема является актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании структур построения и применения пассивно-активных радиометеорологических систем и расширении их функциональных возможностей.
Исходя из цели работы, задачами исследования являются:
- анализ возможности применения принципов пассивно-активного радиометеорологического мониторинга для решения задач обеспечения метеорологической безопасности воздушного движения;
разработка методик определения распределенных метеорологических параметров при использовании пассивно-активных радиотехнических дистанционных систем;
анализ методов и разработка структурных схем совмещенного построения пассивно-активных радиометеорологических систем, обеспечивающих повышение точности контроля метеопараметров;
экспериментальная реализация разработанных теоретических решений;
выработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию пассивно-активных радиометеорологических систем мониторинга.
Научная новизна работы состоит в том, что решены вопросы совершенствования пассивно-активных радиометеорологических систем и развита методология их применения в мониторинге природной среды:
разработана методика, позволяющая осуществить расчет распределения водности облачного образования средствами ПАРМС;
разработаны алгоритмы обработки радиометеорологической информации, позволяющие повысить эффективность выявления средствами ПАРМС зон возможного обледенения летательных аппаратов;
разработаны структуры пассивно-активных радиометеорологических систем, обеспечивающих решение проблем внутри- и внесистемной электромагнитной совместимости;
предложена структура радиометрического модуляционного приемника, обеспечивающая повышение порога чувствительности за счет осуществления функции модуляции в балансном смесителе;
разработаны методы калибровки каналов ПАРМС, повышающие точность обработки радиометеорологической информации благодаря контролю основных характеристик системы и компенсации их изменений.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований:
алгоритм получения информации о распределении водности облачного образования средствами ПАРМС;
совокупность технических решений, в частности структуры построения ПАРМС, радиометрических приемников и поляриметров, положенные в основу авторских свидетельств на изобретения №№ 1344074, 1351408, 1376049, 1577529 и полезной модели № 17083;
алгоритмы обработки радиометеорологической информации, позволяющие прогнозировать возможность обледенения летательных аппаратов;
результаты конструкторской проработки и полевых испытаний ПАРМС;
- рекомендации по дальнейшему совершенствованию пассивно-активных радиометеорологических систем зондирования атмосферы.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что: разработана совокупность схемотехнических решений, обеспечивающая улучшение технических характеристик радиометеорологической аппаратуры, заключающееся в повышении чувствительности пассивного канала в 2 раза (3 дБ), снижении погрешности калибровки активного канала на 65% и обеспечении внутрисистемной развязки между каналами на уровне 160±7дБ;
разработана и реализована действующая пассивно-активная радиометеорологическая система бортового базирования, обеспечивающая более ранний (на 3-4 минуты) прогноз о возможном обледенении летательного аппарата;
разработаны алгоритмы обработки радиометеорологической информации, обеспечивающие повышение вероятности правильной классификации выявления зон вероятного сильного обледенения летательных аппаратов с 0,8 до 0,91;
получена оценка влияния искусственной среды на проходящий через нее радиосигнал, несущий полезную информацию о метеорологических объектах, в различных условиях эксплуатации (увеличение поглощения радиосигнала до 30%).
Реализация. Исследования и практические разработки по теме диссертации были использованы при выполнении:
трех хоздоговорных работ в рамках программ ГКНТ 0.74.10.01.12.Н1 и 0.74.01.05.01.08.Н2 с ГТО им. А.И. Воейкова;
трех хоздоговорных работ в рамках программ ГКНТ и У.32д.09сЦАО;
хоздоговорной НИР с Муромским заводом радиоизмерительных приборов;
ряда госбюджетных НИР, в том числе - трех госбюджетных финансируемых НИР в рамках Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».
В перечисленных НИР автор принимал участие как исполнитель и ответственный исполнитель
Результаты исследований и их практической отработки были внедрены в Научно-исследовательском центре дистанционного зондирования атмосферы -филиале Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, г. С.Петербург, на Муромском заводе радиоизмерительных приборов и в учебном процессе в Муромском институте (филиале) Владимирского государственного университета, что подтверждается Актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на более чем двух десятках конференций всесоюзного, международного и всероссийского уровней: Республиканская НТК "Актуальные вопросы радиоэлектроники и автоматики народному хозяйству" (г. Свердловск, 1984 г.); VII Всесоюзном совещании по радиометеорологии
(г. Суздаль, 1986г.); XV Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (г. Алма-Ата, 1987г.); II и III Всероссийской научной конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (г. Муром, 1992г., 1999г.); Международная конференция "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1995 г.); 54-я Всероссийская научная сессия НТО РЭС (г. Москва, 1999 г.); III Международная научно-техническая конференция ЕАТК ГА (г. Егорьевск, 1999 г.); IV международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 1998г.); «6th Specialist Meeting on Microwave Radiometry 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, 2003 г., 2006г.), а так же на ежегодных научных конференциях Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (1982-2007г.г.).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 46 печатных работах [57, 61, 63-66, 71, 72, 76-78, 87, 8895, 98, 99, 101, 102, 104, 105, 115, 118, 120, 121, 125, 126, 133-139,142-145 и др.].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка используемой литературы и приложения.
Во введении обосновывается актуальность работы, раскрывается научная новизна и практическая ценность, сформулирована выносимые на защиту положения, дается краткий обзор содержания работы.
В первом разделе дан анализ известных радиометеорологических методов и устройств.
Проанализированы особенности проведения пассивных и активных радиометеорологических измерений, выявлены их достоинства и недостатки. Показано преимущества совмещённых пассивно-активных радиометеорологических систем, применение которых позволяет не только компенсировать недостатки, присущие каждому из каналов в отдельности, но и повысить точность определения средней водности облака
Осуществлён синтез и рассмотрено функционирование обобщённой модели ПАРМС. С целью обеспечения решения проблем оптимального схемотехнического построения ПАРМС, внутри- и внесистемной электромагнитной совместимости и т.д. предложена и осуществлена систематизация основных параметров, влияющих на результаты измерений, по критериям: информационных параметров (связанных с метеорологическими параметрами), параметров обстановки (сопутствующих) и мешающих (неинформативных) параметров. Функциональную связь между указанными параметрами и поступающими на вход приёмников сигналами устанавливает оператор преобразования.
Определены критерии оценки степени достоверности радиометеорологических измерений.
Определены цели и задачи диссертационной работы, заключающиеся в теоретическом и экспериментальном обосновании принципов построения и применения пассивно-активных радиометеорологических систем и расширении их функциональных возможностей.
Во втором разделе проведен анализ и синтез методов и устройств построения и применения ПАРМС.
Рассмотрены особенности схемотехнического построения ПАРМС, осуществлена систематизация вариантов совмещения. Выявлен наиболее оптимальный принцип.
Разработана совокупность решений, направленных на достижение поставленной цели. Предложена схема модуляционного радиометра, в основу принципа действия которого положено свойство балансного смесителя подавлять сигналы, следующие в балансный смеситель по одному каналу с сигналом гетеродина, что приводит к обеспечению высокой чувствительности приёмника.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность предложенного построения при разработке радиометров миллиметрового диапазона, а также радиометров в микро-полосковом исполнении.
Предложен метод калибровки пассивного канала, позволяющий осуществлять не только градуировку измерительной шкалы, но и оценивать её линейность.
Разработаны схемы реализации пассивно-активной радиометеорологической системы, обеспечивающие решение проблемы внутри- и внесистемной совместимости каналов и повышение чувствительности пассивного канала в два раза
Рассмотрены проблемы построения методики обработки результатов пассивно-активных измерений. Предложены алгоритмы определения средней водности облака для двух длин волн. Осуществлена проработка критериев выявления (прогнозирования) зон обледенения летательных аппаратов и исследовано прохождение радиоволн через самолётный радиопрозрачный обтекатель.
В третьем разделе приведены результаты практической реализации разработанных принципов.
С учётом пригодности отрабатываемого макета к промышленному освоению, выбрана наиболее оптимальная базовая станция, разработаны наземный и самолётный варианты ПАРМС, определены их характеристики. Сочетание мер
схемотехнического и конструктивного характера обеспечили реальный уровень развязки каналов 160±7 дБ.
Разработано устройство калибровки приёмника активного канала, основанное на использовании неинформативного (паразитного) сигнала, просачивающегося на вход приёмной части радиолокатора в момент излучения зондирующего импульса. Проведена его схемотехническая отработка. Применение этого устройства позволит учесть неконтролируемые изменения мощности передатчика и различия в спектрах излучаемого и принятого сигналов.
Представлены результаты полевых испытаний ПАРМС.
В четвёртом разделе рассмотрены пути дальнейшего совершенствования ПАРМС.
Представлен квазиоптимальный алгоритм вычисления водности переохлаждённых облаков и выявления зон возможного обледенения самолётов, разработана функциональная схема устройства.
Предложены пути повышения точности обработки информации в радиометрическом канале, в частности, с использованием принципа поляризационной селекции, с применением многомерных радиометрических измерений, представлена схема компенсатора кроссполяризационных помех.
Исследовано влияние антенного обтекателя на результаты измерений ПАРМС. Определены количественные характеристики возникающих при этом погрешностей.
Дана оценка повышению эффективности использования разработанных методов и устройств.
В заключении подведены итоги диссертационной работы.
Радиотехнические методы исследования атмосферных явлений
Исследования атмосферы при помощи радиозондов, начатые в 1930 годах, можно смело отнести к первым опытам по систематическому использованию радиотехнических средств для наблюдения за состоянием атмосферы [22]. Однако применение радиозондов могло осуществляться только в ограниченных пространственных рамках и временных интервалах. Развитие новых радиотехнических методов и анализ получаемых с их помощью данных потребовали знания и метеорологии и радиофизики. Радиометоды исследования атмосферы можно объединить общим названием «радиометеорология». Понятие «радиометеорология» принято как на территории стран бывшего СССР так и в дальнем зарубежье [23].
Радиолокационные сигналы образуются как в результате взаимодействия излученной радиолокационной станцией (РЛС) волны с наблюдаемым объектом (активная радиолокация), так и вследствии наличия хаотических токов, протекающих внутри объекта (пассивная радиолокация).
Во время Второй мировой войны широкое применение радиолокаторов дало много очень ценных наблюдений и выводов. В частности, всеми было признано, что условия волн зависят от метеорологических условий, что отражение их происходит и от слоев инверсий, от облачных и пылевых масс и т. д. Созданные во время войны для военных целей, а после нее и для метеорологических целей специальные радиолокационные установки [24] начали широко применяться во всех странах. Дальнейшее их использование в целях исследования метеорологических явлений позволило сформировать самостоятельную область знаний - радиолокационную метеорологию, являющуюся составной частью радиометеорологии [25,26].
Метеорологические цели, с одной стороны, состоят из мелких капель или кристаллов льда, а с другой - занимают пространственные объемы порой значительно превышающие геометрические размеры зондирующих импульсов [29,30]. Кроме того, имеет место относительно малая скорость движения и большая пространственно-временная изменчивость наблюдаемых объектов. При этом достаточно часто бывает недостаточно просто обнаружить объект; возникает необходимость определения степени его опасности, т.е. провести идентификацию объекта. Один из принципов идентификации метеообъектов заключается в измерении отражательной его способности. [29,30]. Осуществить этот принцип можно путем измерения принимаемого отраженного сигнала, а основное уравнение радиолокации решается относительно принимаемого сигнала: r 45\n2x2R2 за" где Р% - средняя мощность принятого сигнала (Вт); Pt - импульсная мощность электромагнитных колебаний, генерируемых передатчиком МРЛ (Вт); GQ - коэффициент усиления антенны; #0и р0 - ширина диаграмм направленности антенны в двух плоскостях (при симметричной антенне в0 = щ); - ослабление радиоволн в атмосфере на пути 2R; г - эффективная площадь рассеяния (ЭПР) облаков и осадков; Кзап - коэффициент заполнения радиолокационного объема V частицами.
В уравнении радиолокации метеорологических целей, какими являются зоны облаков и осадков, необходимо учесть множественность целей и факт распространения радиоволн в поглощающей среде. Облака и осадки состоят из взвешенных и выпадающих капель и ледяных кристаллов. Вся совокупность капель и кристаллов в некотором объеме воспринимается как единая цель. Если указанные частицы одинаковы и распределены в пространстве равномерно, то мгновенного обратного рассеяния не будет, поскольку распределение фаз отраженных сигналов таково, что они взаимно уничтожаются. Рассеяние будет иметь место лишь при неравномерном распределении частиц в пространстве. Частицы облаков и осадков движутся относительно друг друга. Время между посылками двух последовательных импульсов составляет 10" 10 сек. Этого достаточно для некоторого изменения в расположении частиц. В результате мощность принятого радиолокационной станцией сигнала изменяется от одного зондирующего импульса к другому.
Для оценки отражающих свойств частиц облаков и осадков применяется ряд связанных между собой характеристик: эффективная площадь рассеяния і-й частицей а(, удельная площадь обратного рассеяния частиц облаков и осадков г) и радиолокационная отражаемость Z.
Для облаков и осадков диапазон изменения величины а, при фиксирован-ном значении А, =3,2 см может достигать восьми порядков (с; =10 ... 1 см ).
Для исключения зависимости г) от X (м) вводят понятие радиолокационной отражаемости z (м3), причем в радиометеорологии параметр N(d)d6 называют отражаемостью облаков и осадков, и обозначают через Z Чаще всего значение Z выражается в мм /м : Z=\N(d)dedd. (1.7) о где N—число рассеивающих частиц в эффективном объеме Уэ; d - диаметр частицы.
Для удобства практических расчетов и в связи с относительно большой стабильностью основных параметров МРЛ вводят понятия «постоянной калибровки MP Л» или «метеорологического потенциала» [31,32]. Метеорологический потенциал МРЛ определяется по формуле: П - Ъ РхФоФМХКлв (1.8) М 451п2 РгттЯ2 где Пм - метеорологический потенциал; КАВ - коэффициент полезного действия антенно-волноводного тракта на прием и передачу.
С учетом (1.8) формула (1.6) может быть представлена в виде: Р-п Ъ-уК (1.9) R Достаточно часто, например в [32,33] используется упрощенное уравнение (1.12) при следующих допущениях, обусловленных потребностями оперативной работы: 1) радиоволны отражают сферические частицы; 2) не учитывается ослабление радиоволн при их распространении до цели и обратно (%=1), а также влияние подстилающей поверхности на диаграмму направленности (последнее может достигать 3 дБ); 3) имеет место полное заполнение отражающего объема частицами облаков и осадков (КЗАП=\).
Радиолокационная отражаемость облаков и осадков связана с основными их характеристиками - водностью облаков w..f и интенсивностью осадков 1Л.
Это обусловлено тем, что оба этих параметра зависят от размеров частиц и закона их распределения по размерам.
Радиометр с совмещением функций модуляции и преобразования частоты в балансном смесителе
Существенный вклад в шумовую температуру приемника вносят потери во входных цепях. Снижение этих потерь позволяет повысить, как отмечено выше, точность измерений.
В [61] представлен вариант построения радиометра, в котором использовано свойство балансного смесителя подавлять сигналы, следующие в балансный смеситель по одному каналу с сигналом гетеродина [62].
Процесс модуляции заключается в поочередном подключении выхода гетеродина к одному из двух входов балансного смесителя. В результате такого построения радиометра обеспечиваются следующие очевидные качества: - модулятор-переключатель переносится в цепь гетеродина и к нему не предъявляются требования минимизации потерь в широкой полосе частот, что упрощает разработку переключателя; - смесительные диоды находятся в одинаковом динамическом состоянии и при удовлетворительной балансировке моста выходное сопротивление смесителя остается постоянным; - сопротивление нагрузки по входам балансного смесителя постоянно и, как следствие, отпадает необходимость применения ферритовых развязывающих устройств на входе приемника; - степень развязки гетеродина и антенны определяется направленностью направленного ответвителя.
Отмеченные выше качества могут привести к обеспечению высокой чувствительности при условии выполнения функции модуляции балансным смесителем не хуже, чем модулятором-переключателем во входной цепи. В качестве параметра смесителя как модулятора может быть использована зависимость коэффициента подавления шума от частоты [62]. где Pc и Рг - мощности сигналов на сигнальном и гетеродинном входах балансного смесителя; Vm.6c)c И (Рпч.бс)г " СООТВЄТСТВуЮЩИЄ ИМ МОЩНОСТИ Промежуточной ЧаС тоты на выходе балансного смесителя; 1 = Lgl/Lg2 И RA=Rg\/Rg2 где Rgl,Rg2 - выходные сопротивления диодов, представляющие собой активную составляющую полного сопротивления диода на промежуточной частоте; Lg],Lg2 - потери преобразования диода; 8- разбаланс амплитуд; Aq - разбаланс фаз, причем А(ртс = 2А\//С. В выражении (2.11) 8 = ср Ґ - величина неравномерности деления моста балансного смесителя является частотно-зависимой величиной.
Проведенные теоретические исследования частотной зависимости коэффициента подавления шума балансным смесителем на щелевом мосте по выражению (2.11) показывают, что если принять данный параметр как амплитудно-частотную характеристику смесителя как модулятора радиометра в режиме изоляции, то при наихудшем сочетании параметров смесителя рабочее затухание остается выше 15дБ в полосе частот ±10% от средней частоты [50].
Экспериментальные исследования, проведенные с балансным смесителем трехсантиметрового диапазона типовой РЛС с последовательным включением диодов по постоянному току в режиме подавления сигнала показали, что уровень минимального подавления зависит от точности настройки балансного смесителя на рабочую частоту и от качества подбора диодов в пару. Достаточно легко обеспечивается минимальный уровень подавления в 15дБ во всей рабочей полосе частот смесителя (Рисунок 2.6). Для сравнения в том же диапазоне частот приведены измерения амплитудно-частотной характеристики переключате ля на основе управляемого Y-циркулятора, которая в состоянии "выключено" отличалась высокой степенью неравномерности: от -38 до -11 дБ, что и позволило сделать вывод о том, что при соответствующей настройке радиометра в балансном смесителе при умеренно широких полосах пропускания можно совместить функции преобразователя и модулятора. Такое построение можно рекомендовать при разработке радиометров миллиметрового диапазона, а также радиометров в микрополосковом исполнении.
Структурная схема радиометра представлена на рисунке 2.7 [61] Работа радиометра заключается в следующем. Модулирующим напряжением с генератора 16, выход гетеродина 12 через переключатель 13 подключается в первом полупериоде к боковому плечу направленного ответвителя 11 в этом случае на выход смесителя (на вход УПЧ) проходит преобразованный сигнал с антенны 1. Во втором полупериоде модулирующего напряжения гетеродин 12 через переключатель 13 подключен к боковому плечу направленного ответвителя 3, в этом временном интервале антенный сигнал подавляется балансным смесителем и на его выход (на вход УПЧ5) проходит преобразованный сигнал от согласованной нагрузки 10, выполняющий функции источника эталонного сигнала. В результате, на выходе радиометра имеет место сигнал пропорциональный разности температуры входных шумов и температуры шумов согласованной нагрузки.
Как указано в разделе 2.2, определяющим точность измерения пассивными радиометрическими системами является флуктуационный порог чувствительности приемника, характеристики антенны и их калибровка. Калибровка радио-теплолокационной системы необходима для установления однозначного соответствия между измеряемой радиояркостной температурой исследуемого объекта и выходным сигналом радиометрического приемника.
На практике применяются различные методы калибровки, включающие как полную калибровку всей системы, так и калибровку отдельных ее частей, в частности антенны, тракта и микроволнового радиометра [62].
Разработка макета метеорологической пассивно-активной радиотехнической измерительной системы
Как было показано при анализе методов построения ПАРМС, наиболее перспективным считается метод, при котором оба канала работают на единую антенно-фидерную систему, что обеспечивает получение информации обоими каналами с одного и того же направления зондирования. Подключение антенны к активному или пассивному каналам осуществляется переключателем (модулятором) в пределах периода модуляции зондирующих импульсов. По этому принципу, например, построена пассивно-активная станция, разработанная в ГГО на основе МРЛ-2 [54]. Система позволяет проводить измерения практически одновременно (в течение первой половины периода зондирования - активный канал, в течение второй половины периода - пассивный канал). Существенным недостатком этого метода является то, что дальность действия активного канала снижается вдвое и для данной ПАРМС составляет всего 90 км.
При разработке ПАРМС на базе МНРЛС "Гроза" за основу был принят именно этот метод. [99-101].
Конструктивно, приемо-передающая часть РЛС "Гроза" выполнена в виде рамы, на которой устанавливается два приемо-передающих блока - основной и резервный. Подключение к антенной системе осуществляется с помощью вол-новодного переключателя. В описанной модели бортовой ПАРМС вместо одного из приемо-передающих блоков установлен блок радиометра, который выполнен в габаритных размерах корпуса приемо-передатчика, а волноводный переключатель заменен Y-циркулятором. Упрощенная структурная схема ПАРМС приведена на рисунке 3.1. ПАРМС состоит из антенной системы, Y-циркулятора, активного канала, пассивного канала и блока управления. Антенная система и активный канал (приемо-передатчика РЛС "Гроза") остаются практически без изменения. Пассивный канал представляет собой модуляционный радиометр супергетеродинного типа с преобразователем на диодах с барьером Шоттки. УПЧ выполнен на двух усилителях с полосой пропускания 700 МГц и общим коэффициентом усиления 50 дБ при коэффициенте шума 4,5 дБ. Это позволило получить флуктуационный порог чувствительности радиометра 0,3 К при постоянной времени г = 1 с.
На рисунке 3.2 показаны временные графики работы ПАРМС. Период модуляции радиометра совпадает с периодом следования зондирующих импульсов передатчика активного канала. Модулирующий сигнал имеет симметричную форму. В интервале времени t0+(t0 + T3) передатчик активного канала
формирует зондирующий импульс, который через Y-циркулятор поступает в антенную систему и далее излучается в пространство. В интервале времени tQ -г (t0 + Т/Л (Т-период модуляции) на модулятор подается сигнал, запирающий его. Сигнал, отраженный от метеообъекта, поступает в антенную систему, далее через Y-циркулятор в пассивный канал, отражается от модулятора и через Y-циркулятор поступает в приемник активного канала. Вход радиометра в это время подключен к согласованной нагрузке, выполняющей роль эквивалента. В интервале времени (t0 + %) + (to + Т) на модулятор подается сигнал, открывающий его, и антенная система оказывается, подключена к пассивному каналу.
В таком режиме работы радиус действия активного канала ограничен до 185 км. Для РЛС, решающей задачи измерения осадков и сопровождение работ по активным воздействиям, эффективный радиус обнаружения составляет 70 120 км [29]. Однако при необходимости активный канал может работать на полную дальность (375 км).
Для этого на модулятор подается запирающее напряжение, которое закрывает его, в результате чего антенная система будет постоянно подключена к приемнику активного канала, а пассивный канал будет регистрировать сигнал согласованной нагрузки (эквивалента).
Элементы узла развязки (Y-циркулятор, разрядник и модулятор) на частоте передатчика обеспечивают переходное затухание около 80 дБ. С целью достижения необходимого уровня развязки (140 дБ) в ПАРМС применены следующие меры: - нижняя граница полосы пропускания УПЧ радиометра выбрана равной 150 МГц (центральная частота УПЧ активного канала 30 МГц); - осуществляется бланкирование сигнала гетеродина; введено бланкирование сигнала в тракте НЧ радиометра, заключающееся в подавлении сигнала дифференциальным УПТ во время действия бланкирующего импульса на синхронный интегратор. Последнее позволяет осуществить защиту от паразитных сигналов, наведенных магнитным полем от модулятора передатчика.
Квадратичный детектор выполнен по параллельной схеме со стабилизацией рабочей точки на диоде с барьером Шоттки. Конструктивно он объединен с предварительным УНЧ, который выполнен на микросхеме с малым уровнем собственных шумов типа К538УНЗ, и установлен в блоке пассивного канала. Узел синхронной обработки находится в блоке управления ПАРМС. В этом блоке также находится индикатор активного канала и система управления всем комплексом. Узел синхронной обработки состоит из УНЧ с регулируемым коэффициентом усиления, синхронного интегратора и дифференциального УПТ. УНЧ и УПТ выполнены на микросхемах 544 серии, а ключи синхронного интегратора на полевой сборке 504 серии. Использование вышеперечисленных элементов позволило при простоте схемы получить стабильные характеристики, обеспечивающие необходимые эксплуатационные качества радиометра.
Испытание ПАРМС проведенные в составе наземного комплекса [99]. Приемо-передающая часть ПАРМС была установлена на антенной системе станции МРЛ-2. Проведенный расчет показал, что метеорологический потенциал активного канала составляет около 270 дБ (около 247дБ для потенциала МРЛ-2) [46]. Сравнительные измерения, проведенные активным каналом 3,2 см станции МРЛ-1 на полигоне ГГО в Тургоше показали, что вероятности обнаружения облачных образований с осадками в зоне до 100 км равны. Флуктуа-ционный порог чувствительности по радиояркостным температурам пассивного канала составлял 0,4К при постоянной времени т= 1с.
Информационные возможности многомерных радиометрических измерений
К многомерным радиометрическим измерениям принято относить измерения выполняемые с помощью комплекса радиотехнических средств СВЧ диапазона [38]. Комплекс может содержать радиометры, радиолокаторы, установки измерения ослабления радиоволн и т.п. Такие измерительные комплексы дополненные устройствами обработки и представления информации часто называют радиометрическими системами[50].
Информационными параметрами входных сигналов в таких системах являются: интенсивность радиошумовых излучений; мощность отраженных от объектов сигналов; величина ослабления радиоволн при прохождении через исследуемые объекты. Все эти параметры отнесены к определенному виду поляризации. Значение физической величины, характеризующей объект исследования, находится путем решения уравнений функциональной связи. В уравнение функциональной связи может входить несколько неизвестных величин подлежащих определению. В этих случаях необходимы многомерные измерения взаимосвязанных величин.
В [38, 50]к числу таких систем относят:
3) многочастотные пассивные радиометрические системы, осуществляющие прием и измерение интенсивности собственного радиотеплового излучения исследуемых объектов в нескольких частотных областях СВЧ диапазона;
4) пассивно-активные радиометрические системы, содержащие радиометрический канал для приема и измерения собственного радиотеплового излучения и радиолокационный канал, обеспечивающий измерение мощности отраженных от объектов сигналов с требуемыми метрологическими характеристиками;
5) радиополяриметры, позволяющие оценить параметры радиосигналов, исходящих от объектов на различных видах поляризации;
6) радиотехнические установки измерения ослабления радиоволн при радиопросвечивании атмосферы на определенном виде поляризации.
Одной из важных характеристик электромагнитной волны является поляризация, определяемая положением плоскости колебания электрической компоненты. Очевидно, что поляризация сигналов в активном канале определяется поляризационным состоянием облучающей волны, отражательной способностью объекта и средой распространения волны, а в пассивном канале - излуча-тельной способностью объекта. В случае приема в линейно-ортогональном базисе на выходе приемника сигнал будет равен [36] Егп = Jpnjl + oosilyo osiley , Евп = 4РІ2 \ - cos(2r0) cos,{2s)ej{0,t }, где Егп, Евп - ортогональные компоненты электрического вектора принимаемой электромагнитной волны частотой со; Р - полная мощность волны; у 0 - начальная фаза; у 0 - угол наклона плоскости поляризации волны к выбранному направлению; є - угол эллиптичности.
По отношению к основному информационному параметру Р параметры у0 и є являются сопутствующими, степень точности оценки которых, влияет на результат оценки информационного параметра.
Использование поляризационных характеристик сигналов в радиолокационной метеорологии может оказаться полезным для решения следующих приложений [123-126]: оценивание интенсивности дождя; оценивание ослабления СВЧ-сигналов из-за атмосферных осадков; идентификация типов гидрометеоров; моделирование линий радиосвязи для прогнозирования ослабления сигналов; - оценивания состояния посевов сельскохозяйственных культур и эрозии почвы; - обнаружение переохлажденных водяных капель для обеспечения безопасности полетов самолетов и т.д.
