авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта исз

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Терехов Владимир Алексеевич

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СТЕПЕНИ ВЗВОЛНОВАННОСТИ МОРСКОЙ

ПОВЕРХНОСТИ С БОРТА ИСЗ

Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических приборов Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БАСКАКОВ Александр Ильич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

ПЕРМЯКОВ Валерий Александрович

кандидат технических наук, ст. научный сотрудник

МОМСИК Виталий Петрович

Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН,

г. Москва (отдел экспериментальной космической

океанологии)

Защита состоится 2 июня 2011г., в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 Московского Энергетического Института (Технического университета) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан ……. апреля 2011г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. При этом актуальными являются задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения с ИСЗ. Информация о состоянии МП, скорости и направлении ветра над ней, степени взволнованности необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и морях, для океанологических научных исследований, для обеспечения навигации судовождения, для строительства и эксплуатации различных гидротехнических сооружений (буровые вышки, порты и т.п.), для экологического мониторинга и т.д. Развитие спутниковой океанологии дополнительно стимулируется вынужденным сокращением и удорожанием эксплуатации исследовательского флота России. В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени взволнованности МП радиолокационным методом являются прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по МП, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты морских волн (МВ), и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня МП. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ. Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ “Skylab”, “Geos-C”, “Seasat”, “Topex-Poseidon”, “Jasion” подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений. В известных зарубежных публикациях Д. Баррика, Ж. Брауна, Л. Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах отечественных авторов А.П. Жуковского, Н.А. Важенина, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиоcигналы с наносекундной разрешающей способностью, а основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма отраженных от МП сигналов ПРВ. Однако, проблема синтеза оптимальных алгоритмов оценки высоты МВ в океанографических ПРВ и анализа потенциальной точности измерений высоты МВ данным методом практически не освещены в отечественной и зарубежной печати, если не считать нескольких статей, содержащих общие сведения рекламного характера. В указанных современных ПРВ информация о состоянии взволнованности МП извлекается из вторичной, наземной обработки. Автором предложен и экспериментально проверен метод измерения высоты МВ в облучаемой области по форме фронта отраженного от МП (информационного) сигнала при обработке, как во временной, так и в частотной области в реальном времени на борту ИСЗ. Однако, основная задача ПРВ – оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты МВ в этих приборах является вспомогательной задачей. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей МВ с борта ИСЗ.



Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра-скаттерометра (МРС), позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: а) высоте МВ путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП; б) крутизне МВ путем оценки ширины доплеровского спектра (ШДС) и мощности отраженного сигнала, связанной с удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) поверхности и скоростью поверхностного ветра. Возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ отраженного сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, Л.М. Миллер, А.А. Калинкевич, А.А. Гарнакерьян, А.И. Баскаков и др. Однако, до сих пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем является вертолет или самолет. С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. Важной задачей является также необходимость совмещения измерителя высоты МВ с надирным скаттерометром – измерителем скорости поверхностного ветра по величине удельной ЭПР и ШДС эхо-сигнала. При этом относительная простота и технологичность конструкции МРС должны позволить разместить его на малом ИСЗ. Все это делает актуальной выбранную тему для данной диссертационной работы и позволяет сформулировать цель исследований.

Цель диссертационной работы. На основе теоретического обобщения должна быть решена актуальная научная задача, заключающаяся в исследовании и разработке методов определения степени взволнованности морской поверхности радиолокационными средствами с борта ИСЗ.

Данная цель в свою очередь ставит ряд вопросов, требующих решения.

- В направлении создания океанографического ПРВ:

1. Анализ поведения формы информационного сигнала ПРВ в широком диапазоне вариаций исходных данных, связанных с режимом облучения и состоянием МП.

2. Обоснованность метода измерения и анализ его точностных характеристик.

3. Выбор оптимальных параметров ПРВ для получения потенциальных точностных характеристик системы к высоте МВ.

- В направлении создания надирного МРС:

1. Обоснованность возможности оценки высоты морских волн по ДЧКФ с ИСЗ.

2. Разработка эффективного метода оценки высоты МВ с подавлением декоррелирующего множителя ДЧКФ.

3. Разработка структуры измерителя высоты МВ, а также возможность совмещения его с надирным радиоскаттерометром.

4. Оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации и радиовысотометрии. Экспериментальные исследования выполнены методами физического и компьютерного моделирования, а также в реальных эксплуатационных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

- В направлении создания океанографического ПРВ: 1) Анализ информационных сигналов при широкой вариации исходных данных, связанных с режимом облучения, параметрами радиовысотомера и степенью взволнованности МП. 2) Разработка метода определения высоты МВ по форме фронта информационного сигнала для работы в реальном времени. 3) Анализ зависимости потенциальных точностных характеристик ПРВ при вариации исходных данных.

- В направлении создания надирного МРС: 1) Использование метода надирного синтезирования апертуры антенны и создание интерферометрической приемной антенны в плоскости, перпендикулярной направлению полета, для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ. 2) Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки радиосигналов, отраженных от МП. 3) Оценки потенциальной точности измерения высоты МВ в зависимости от выбранных параметров МРС, режима облучения и состояния МП. 4) Анализ возможности одновременной оценки не только высоты МВ, но и дисперсии наклонов МВ, связанной со скоростью поверхностного ветра, которую предлагается оценивать путем измерения ширины доплеровского спектра отраженного сигнала и его мощности.

Научная новизна результатов работы. 1. Разработан и экспериментально проверен новый метод определения высоты МВ по форме фронта информационного сигнала ПРВ. 2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров ПРВ с оценкой потенциальной точности на основе анализа статистических характеристик отраженных сигналов при широкой вариации исходных данных.

3. Предложена и проверена на компьютерной модели возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ с космической орбиты с использованием метода нетрадиционного надирного синтезирования апертуры антенны и созданием интерферометрической приемной антенны в плоскости перпендикулярной направлению полета для исключения влияния декоррелирующего множителя на ДЧКФ. 4. Синтезирован алгоритм оптимальной обработки отраженных от МП радиосигналов и дана оценка потенциальной точности измерения высоты МВ по ДЧКФ.

Практическая ценность диссертационной работы обусловлена тем, что полученные результаты являются теоретической и реализационной основой для выбора параметров, расчета основных характеристик и создания перспективных наносекундных океанографических ПРВ и надирных МРС, а также РТС и устройств, служащих для обработки сигналов, отраженных от поверхностно-распределенных объектов, применяемых в различных областях хозяйствования. Разработан и проанализирован новый квазиоптимальный метод измерения высоты МВ по форме информационного сигнала и для него проведены оценки точностных характеристик, показывающие возможность достижения необходимых требований. Практическая ценность результатов подтверждается авторским свидетельством и экспериментальными результатами самолетных испытаний.

Реализация работы. Проведенные в диссертации исследования использованы: 1) в межвузовских научно-исследовательских работах, выполненных по программам: “ФИЗМАТ” с 1993 по 1996 гг. по техническим заданиям Московского физико-технического института; Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (Подпрограмма: 209. Информационно-телекоммуникационные технологии) 2003 -2004 гг. 2) в НИР и ОКР «Гребень», выполняемых в Особом Конструкторском Бюро МЭИ (ОКБ МЭИ) с 1976 по 1993гг.; 3) некоторые идеи по надирному синтезу апертуры антенны, заложенные в данной диссертационной работе были использованы при наземной обработке на полигоне ОКБ МЭИ высотомерной информации, полученной с РСА автоматических межпланетных станций «Венера-15», «Венера-16», которые осуществляли картографирование поверхности планеты «Венера».

Результаты диссертационных исследований использованы также в учебном процессе в курсах “Локационные методы исследования объектов и сред”, “Проектирование систем дистанционного радиозондирования Земли”, “Радиолокационные системы” на Радиотехническом факультете МЭИ (ТУ).





Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники; использовании современной теории радиовысотометрии и теории синтеза апертуры антенны; на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях, одобренных научной общественностью; на результатах компьютерного моделирования, а также на экспериментальных данных, полученных в самолетных испытаниях.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах в МЭИ (ТУ) и ОКБ МЭИ, в Институте океанологии им П.П. Ширшова РАН, в ИРЭ РАН, на НТК МЭИ (ТУ) (1978, 1980, 1982, 1985, 1988, 1990, 1992гг.); на заседании подсекции “Радиофизические исследования земных покровов” Научного Совета по комплексной проблеме “Распространение радиоволн” (ИРЭ РАН, 1982г.); на Межведомственных семинарах “Неконтактные методы измерения океанографических параметров” (Ленинградское отделение Государственного океанографического института, 1978г.; Москва, ВДНХ, 1983г.); на Всесоюзном семинаре “Технические средства для государственной системе контроля природной среды” (АН СССР, г. Обнинск, 1981г.); на Международном симпозиуме по использованию СВЧ радиоволн в дистанционном зондировании (Тулуза, Франция, 1984г.); на Всесоюзной НТК по теории и технике радиовысотометрии. г. Каменск-Уральский, 1986; на Всесоюзной НТК “Современные проблемы радиоэлектроники” (Москва, МЭИ, 1988г.); на советско-американском симпозиуме “Исследования океана из космоса” (Москва, институт океанологии им. П.П. Ширшова, АН СССР, июнь 1991г.); на IV Международной конференции “Распространение радиоволн” (Вологда, июнь 1994г.); на Международной конференции 100-летие начала использования радио (Москва, май, 1995г.); на Международных симпозиумах по космическим системам связи и дистанционному зондированию (Сиань, Китай, 1995 и 1997г.); на XVIII Всероссийской НТК по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996г., С. Петербург, РАН, Научный Совет по комплексной проблеме “Распространение радиоволн”); на Всероссийской научной конференции-семинаре по сверхширокополосным сигналам и их применению в различных областях радиотехники, г. Муром, Муромский госуниверситет, 2003г; на Международной НТК «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова», Москва, МЭИ (ТУ), 2003г; на Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, сентябрь 2004г., на ХХIII Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» С-Петербург, апрель 2005г, на II Всероссийской НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». ОАО «Российские космические системы», 2010.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа, в том числе 9 статей в научно-технических журналах (1-а из списка ВАК), патент и авторское свидетельство на изобретение, 10 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, приложения и содержит 226 стр. текста, 115 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается современное состояние РЛС дистанционного зондирования океана с ИСЗ, обосновывается актуальность исследуемой проблемы, формулируются цели и задачи диссертационной работы. Отмечается ее новизна и практическая ценность, даются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу статистических характеристик сигналов ПРВ, отраженных от МП при широкой вариации исходных данных, связанных с характеристиками зондирующего сигнала, режимом облучения и состоянием МП. В работе введен термин - информационный сигнал ПРВ, являющийся усредненной формой мощности сигнала во временной области или усредненной формой спектральной плотности мощности сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы в частотной области. Для углов отклонения от вертикали , не превышающих четверти от ширины ДНА , получено и исследовано аналитическое выражение для усредненной мощности сигнала P(t), характеризующее среднюю форму импульса, отраженного от МП при использовании зондирующего сигнала с ЛЧМ и коэффициентом сжатия

, (1)

где ; ; ;

– параметр, характеризующий влияние высоты МВ на форму фронта сигнала; – среднеквадратичная ордината МВ, связанная с высотой МВ 3% обеспеченности за начало отсчета по оси времени также принят момент , - высота от ПРВ до среднего уровня спокойной МП.

Проведенный анализ формы информационного сигнала ПРВ при оптимальной обработке во временной области показал, что увеличение высоты МВ приводит к затягиванию длительности и уменьшению крутизны фронта усредненного отраженного сигнала, но вне зависимости от высоты МВ все отраженные сигналы пересекаются в одной точке, рис.1. Осуществляя слежение за положением этой точки перегиба на фронте усредненного отраженного сигнала, можно оценивать высоту полета ИСЗ, а при известной с достаточной точностью орбите исследовать топографию поверхности моря. Чувствительность формы фронта отраженного сигнала к высоте МВ возрастает с увеличением и позволяет проводить оценку степени взволнованности МП. Возможность оценивать высоту МВ одновременно с высотой полета ИСЗ расширяет функциональные возможности ПРВ. При оптимальной обработке сигнала в частотной области под усредненной формой сигнала понимается усредненный спектр сигнала биений на выходе смесителя в корреляционно-фильтровой схеме обработки .

 Передний участок нормированного-17 Рис. 1. Передний участок нормированного информационного сигнала при различной степени взволнованности МП: 1); ; 2); ; 3) ; ; H=800км, , ширина ДНА0,035 рад,


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.