Радиометрическая система с компенсацией мультипликативного влияния слоя осадков на антенне

Радиометрическое исследование атмосферы представляет собой достаточно мощное средство, обладающее точностью и оперативностью, и позволяющее судить о количественном соотношении излучающих компонент в атмосфере. Получаемая информация необходима для исследования пространственной структуры и эволюции облаков в целях прогноза погоды, урожая и опасных явлений, а также для решения задач экологии, гидрологии и природопользования, что является одним из актуальных направлений дистанционного зондирования окружающей среды. Проведенные исследования показывают принципиальные возможности и перспективы развития методов и аппаратуры радиометрического исследования атмосферы. При проведении измерений в условиях выпадения гидрометеоров основные параметры антенн радиометрических систем сантиметрового диапазона длин волн сильно изменяются, что приводит к значительным ошибкам и вносит в результаты измерений неопределенность.

В процессе радиометрических измерений имеют место внешние аддитивные и мультипликативные помеховые воздействия. Аддитивное влияние на входной сигнал обусловлено фоновым излучением, принимаемым из угловой области рассеяния антенны и ее собственным шумовым излучением, а также увеличением приведенной ко входу приемного устройства температуры шума, вызванного собственным тепловым радиоизлучением слоя снега, льда или воды.

Недетерминированное изменение характеристик антенны (коэффициент рассеивания антенны и ее КПД), величины которых определяют уровень выходного сигнала, является результатом внешнего мультипликативного по-мехового влияния в радиометрических системах. Формирование на поверхности зеркальной антенны слоя гидрометеоров (снега, льда или воды), электрические свойства которых существенно отличаются от свойств отражателя антенны, вызывают ослабление уровня полезного сигнала на входе радиометрического приемника за счет снижения коэффициента отражения от подобного трехслойного образования.

Целый ряд функциональных элементов, входящих в состав радиометрических систем, может служить источником внутреннего помехового мультипликативного влияния. Наводки по цепям питания, флуктуации напряжений питания и параметров основных элементов усилителей приводят к флук-туациям амплитуды и фазы усиливаемых колебаний.

С целью увеличения достоверности и точности радиометрических измерений необходимо обеспечить стабильность работы радиометрических систем в сложных метеорологических условиях при воздействии как внешних, так и внутренних помехообразующих факторов.

Разработка методов компенсации помехового влияния слоя осадков на результаты радиометрических измерений, позволяющих повысить точность оценки параметров исследуемого объекта в сложных метеоусловиях, является одной из актуальных задач радиометрии.

Использование радиометрической системы, позволяющей осуществить схемную компенсацию помехового влияния слоя осадков, может оказаться более предпочтительным, с точки зрения точности и оперативности проведения исследований, по сравнению с радиометрическими системами, содержащими комплекс вспомогательных средств и средств вычислительной техники, осуществляющих контроль данных помехообразующих факторов с последующей корректировкой результатов измерений.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель настоящей работы заключается в разработке радиометрической системы с компенсацией помехового влияния слоя осадков на поверхности антенны, позволяющей повысить точность оценки полезного информационного сигнала при радиометрических наблюдениях в сложных метеорологических условиях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

— анализ источников и результатов воздействия мультипликативных помех на точность радиометрических измерений, при проведении дистанционного зондирования в сложных метеорологических условиях;

— оценка возможностей известных методов компенсации влияния мультипликативных помех на результаты радиометрических измерений;

— разработка и обоснование метода компенсации помехового влияния слоя осадков на результаты радиометрических измерений с реализацией пространственного разрешения информационного сигнала;

— разработка структурной схемы радиометрической системы, реализующей метод компенсации помехового влияния слоя осадков, при использовании внешнего эталонного пилот-сигнала для оценки изменения параметров антенной системы с последующим выполнением операции деления сигналов;

— разработка макета радиометрической системы, содержащей СВЧ-радиометр, реализующий метод внешнего пилот-сигнала с пространственным разрешением, двухмодовую зеркальную антенну и прикладное программное обеспечение;

— экспериментальное исследование разработанного метода с помощью лабораторных и натурных испытаний.

Методы исследования.

В данной работе использованы методы математического и физического моделирования, аналитический аппарат технической электродинамики, численные методы расчета и анализа, а также методы экспериментального исследования разработанной радиометрической системы.

Научная новизна работы состоит в том, что проработаны вопросы повышения точности радиометрических измерений в условиях воздействия fi1 помехового мультипликативного влияния слоя осадков на поверхности зеркальной антенны, для чего впервые:

— разработан метод внешнего эталонного пилот-сигнала с пространственным разрешением, позволяющий компенсировать помеховое влияние слоя осадков, сформированного на поверхности антенны;

— определены основные принципы реализации разработанного метода компенсации, заключающиеся в инжекции внешнего двухуровневого эталонного пилот-сигнала, с последующей реализацией процедуры разностно-относительного измерения шумового сигнала;

— разработана двухканальная радиометрическая система, реализующая метод внешнего пилот-сигнала с пространственным разрешением информационного и помехового сигналов;

— проведено экспериментальное исследование предложенной радиометрической системы в условиях выпадения и формирования слоя осадков на ж антенне;

— проведена оценка погрешности компенсации помехового влияния слоя осадков (дождь и снег) в двухканальной радиометрической системе.

На защиту выносятся:

— оценка мультипликативного влияния слоя осадков на точность результатов радиометрических измерений;

— результаты сравнительного анализа существующих методов компенсации мультипликативного помехового влияния на точность радиометрических измерений, основанных на инжекции шума в антенный тракт, делении сигналов и поляризационном разрешении;

— метод компенсации мультипликативного влияния слоя осадков на поверхности антенны, основанный на использовании внешнего эталонного пилот-сигнала с пространственным разрешением информационного и помехового сигналов;

— схема радиометрической системы с компенсацией влияния слоя осадков, реализующая предложенный метод;

— результаты экспериментальных исследований радиометрической системы, подтвердившие возможность компенсации данного вида помехово-го влияния, с помощью разработанного метода.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется возможностью создания на базе проведенных исследований и разработок, радиометрической системы с компенсацией мультипликативного влияния слоя осадков на антенне, предназначенной для исследования атмосферы в сложных метеоусловиях, необходимой для оценки характеристик водои влагосодержания облаков и для других научных и прикладных задач. Результаты диссертационной работы использовались при проведении научно-исследовательских работ на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Муромского института ВлГУ.

Реализация.

Исследования и практические разработки, приведенные в диссертационной работе, являются частью научно-исследовательских работ, выполненных в рамках гранта Президента РФ по поддержке молодых российских учёных и ведущих научных школ Российской Федерации (2004;2005гг., код НШ-1793.2003.5).

Полученные в работе результаты вошли в отчеты по НИР (госбюджетных), проводимых на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Муромского института ВлГУ с 2002 по 2005 год.

Результаты исследований и их практической отработки были внедрены в Научно-исследовательском центре дистанционного зондирования атмосферы (г. С.-Петербург), на Муромском заводе радиоизмерительных приборов и в учебном процессе Муромского института Владимирского государственного университета.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. XII Всероссийская школа-конференция. «Дифракция и распространение волн». (Москва, 2001 г.).

2. XXVIII Гагаринские чтения (Москва, 2002 г.).

3. III Всероссийская конференция, посвященная памяти Г. Г. Самой-ловича «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 18−19 апреля 2002 г.).

4. XX Всероссийская конференция по распространению волн. — (Н. Новгород, 2002 г.).

5. Всероссийская научная конференция — семинар. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром 1 — 3 июля 2003 г.).

6. II Всероссийская конференция. «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами». (С. — Петербург 16−18 июня 2004 г.).

7. II Всероссийская научная конференция — семинар. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром 4−7 июля 2006 г.).

8. Ежегодные научно-технические конференции Муромского института Владимирского государственного университета (2002 — 2006гг.).

Основное содержание работы опубликовано в 14 работах.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 12 статей, 2 тезиса докладов. Исследования и разработки отражены в 3 отчетах о госбюджетных НИР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 11 таблиц. Библиография включает 111 наименований. В приложении представлены документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

4.5 Выводы по главе.

4.5.1 Разработан и создан макет радиометрической системы, имеющий технические параметры, необходимые для реализации предложенного алгоритма обработки радиометрических сигналов. В состав измерительного комплекса входят: радиометрическая система, персональный компьютер, прикладное программное обеспечение. Радиометр представляет собой радиометрический приемник трехсантиметрового диапазона, реализующий разработанный метод компенсации мультипликативных помех. Входной сигнал с квадратичного детектора СВЧ — радиометра поступает на НЧ блок радиометрической системы, выполненный на двух платах — плата выходного устройства радиометра (БНЧ) и плата устройства управления (ПДУ). На блоке управления есть разъемы для снятия входного сигнала на осциллограф и выходного обработанного сигнала на самописец и АЦП. Аналоговая информация о измеряемом шумовом сигнале, формируемая на выходе приемного устройства БНЧ, а также информация о температуре согласованной нагрузки от датчика температуры (ДТ), поступают на блок сопряжения с ЭВМ. Это устройство последовательно опрашивает пять входных каналов и преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Сигналы со всех измерительных каналов поступают на быстродействующий 10 — разрядный АЦП. Программа регистрации данных радиометрических измерений обеспечивает функционирование радиометрической системы и поддерживает следующие режимы работы: предварительную подготовку к измерениям (калибровка) — проведение измеренийподдержание базы данных с результатами измеренийвизуализацию, просмотр, документирование и распечатку результатов измерений.

4.5.2 Исследование собственного микроволнового излучения облачной атмосферы проводилось с помощью радиометрической системы, реализующей разработанный метод компенсации мультипликативных помех на длине волны Л = 3,2 см, которая принимала радиоизлучение источника параллельно по двум антенным каналам — основному и дополнительному и измеряла соответствующее отношение яркостных температур. Прием осуществлялся на параболическую зеркальную антенну диаметром /) = 1000лш и шириной диаграммы направленности по уровню половинной мощности О — У. Теоретическая флуктуационная чувствительность радиометрической системы по обоим каналам равна &-Т = $, ЪК при времени интегрирования т = 1с. Развязка между каналами не хуже 35дБ. Влияние слоя осадков на поверхности антенны проявляется следующим образом: изменяется абсолютный угол принимаемой мощности в области главного лепестка, так как в этой области, максимально сказывается изменение отражательных. свойств всей поверхности зеркала в отличие от области рассеивания, в которой абсолютный уровень принимаемой мощности обуславливается отражательными свойствами края зеркала, на котором слой осадков в связи с тем, что поверхность зеркала антенны вогнута, будет минималенизменяется относительный уровень принимаемой энергии, как в области главного лепестка, так и в области рассеивания ДН антенны радиометрической системы. С целью определения характера влияния слоя осадков образующегося на поверхности антенны, на точность радиометрических измерений и возможности компенсации данного влияния, было проведено экспериментальное исследование приема шумового излучения в условиях выпадения, дождя и снега.

4.5.3 В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований можно сделать вывод о достаточно сложном характере влияния слоя осадков на точность радиометрических измерений. Между тем, это влияние в основном заключается в ослаблении уровня сигнала на входе радиометрического приемника за счет снижения коэффициента отражения от подобного образования, а с другой стороны, образование полупрозрачного слоя на поверхности антенны сопровождается увеличением приведенной ко входу радиометрической системы шумовой температуры, вызванным собственным тепловым радиоизлучением слоя снега, льда или воды.

В проведенных измерениях значение погрешности определения антенной температуры, обусловленное мультипликативным влиянием слоя твердых осадков (снег) составляет .26,8−42,2%, а жидких (дождь) — 8,2— 27,5%, в разработанной радиометрической системе аналогичное помеховое влияние составляет 12,7−27,3% и 1,3−13,2% соответственно.

4.5.4 Данная радиометрическая система предназначена для определения характеристик водо — и влагосодержания облаков в условиях оседания гидрометеоров атмосферы на поверхность антенны и позволяет исключить неопределенность в интерпретации измеряемого радиотеплового излучения. Пассивное дистанционное зондирование в радиодиапазоне является весьма эффективным средством исследования влагосодержания атмосферы. При этом для раздельного определения содержания парообразной и жидкока-пельной влаги (облака, туманы и т. п.) необходимо производить измерения одновременно на нескольких длинах волн. Однако, для приближенной оперативной оценки содержания жидкокапельной влаги в гидрометеорных образованиях можно воспользоваться измерением излучения на длине волны Л = 3,2 см.

Предлагаемая радиометрическая система позволяет проводить следующие измерения: абсолютный метод измерения (мощности радиотеплового излучения однородной атмосферы, величины радиояркостного контраста метеообъекта) — относительный метод измерения (угломестных разрезов для однородной атмосферы, азимутальных разрезов для метеообъектов, имеющих радиояркостный контраст на фоне однородной атмосферы).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе проведена разработка и исследование метода компенсации мультипликативного влияния слоя осадков на антенне радиометрической системы, обеспечивающего достоверность и точность радиометрических измерений в сложных метеорологических условиях.

В ходе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

— проанализированы источники и результаты воздействия мультипликативных помех на чувствительность радиометрических систем при проведении дистанционного зондирования в сложных метеорологических условиях;

— проанализированы основные методы компенсации влияния мультипликативных помех на чувствительность радиометрических систем, а также примененные в них способы получения эталонного (компенсационного) сигнала;

— разработан метод компенсации мультипликативных помех в радиометрических системах основанный на использовании оценки мультипликативной помехи с соответствующей корректировкой значения информационной составляющей антенной температуры по ее воздействию на заданный эталонный сигнал;

— разработана структурная схема радиометрической системы, реализующей данный метод компенсации мультипликативных помех, построенная на базе двухканального модуляционного радиометра, в котором эталонный сигнал содержит компенсирующую компоненту, равную помеховой компоненте информационного сигнала и, кроме того, подвергается тем же помехо-образующим воздействиям, что и информационный сигнал;

— проанализированы основные принципы, лежащие в основе разработанного метода, и факторы, влияющие на точность компенсации влияния мультипликативных помех;

— разработан действующий макет радиометрической системы, реализующий разработанный метод компенсации мультипликативных помех, в состав которого входят: СВЧ — радиометр трехсантиметрового диапазона длин волн, антенная система и прикладное программное обеспечение;

— проведена экспериментальная проверка разработанного метода компенсации мультипликативных помех с помощью лабораторных и натурных испытаний;

— получены оценки погрешности определения антенной температуры в условиях выпадения и формирования слоя осадков на антенне, для случая твердых осадков она составляет 26,8−42,2%, а для жидких — 8,2−27,5%, в разработанной радиометрической системе аналогичное помеховое влияние составляет 12,7−27,3% и 1,3−13,2% соответственно;

— степень компенсации мультипликативного влияния слоя осадков на точность радиометрических измерений для данной системы составляет около 48%.