Методы и системы комплексной аналого-цифровой обработки сигналов в микроволновой радиометрии

Предметом диссертационной работы является развитие методов и систем микроволновой радиометрии с высоким спектрально-временным разрешением, расширение их функциональных возможностей и области применения, а также повышение устойчивости к воздействию помех и факторов, влияющих на процесс регистрации и обработки сигналов.

Цели и задачи работы, ее актуальность.

Трудно и, более того, невозможно дать сжатое и приемлемое для всех определение обработки сигналов. К тому же конечные цели, используемые методы и техника обработки сигналов многочисленны и часто различны. Теория обработки сигналов основана на нескольких разделах математики и физики. Для реализации ее многих функций (число которых непрерывно растет) используются различные области техники. Если попытаться выделить во всем этом многообразии нечто обшее, то можно сказать, что обработка сигналов включает в себя две основные задачи — преобразование способа представления информации в сигнале и сокращение ее объема. Сокращение объема информации заключается в удалении ненужной информации. Примером могут послужить подавление помех, оценка параметров и выделение признаков.

Развитие элементной базы систем обработки сигналов происходит в общем русле совершенствования технологии средств связи, телекоммуникационных и измерительных систем, систем автоматики и т. д. Общая тенденция развития радиоприемных устройств (РПУ) отражается в расширении частотного и динамического диапазонов, увеличении чувствительности, расширении многофункциональности, повышении роли модульности (см., например [1]).

Основным направлением данной работы явилось создание, а затем и использование в научных экспериментах методов и средств обработки радиофизических сигналов. Важное значение при этом имеют специфика применения и условия функционирования применяемых в процессе обработки измерительных систем (ИС). Поэтому наряду с вопросами реализации того или иного алгоритма обработки сигналов пришлось решать задачи, предназначением которых было исключение факторов, оказывающих разрушающее действие на точность измерений параметров исследуемых сигналов. К таким факторам относятся прежде всего помехи (внешние и вызванные взаимным влиянием компонент ИС), а также эффекты несогласованности в трактах межмодульных соединений измерительной аппаратуры. Особое место занимают средства автоматизации измерений и программное обеспечение.

Значительны по объему экспериментальные и теоретические исследования с применением спектрально-временного анализа. Во многом они касаются обработки сигналов, получаемых в процессе дистанционного (по радиоизлучению) зондирования атмосферы Земли в линиях вращательных спектров примесных газов с использованием разработанных для этой цели методов и аппаратуры. К последней относится многоканальный перестраиваемый по частоте модуляционный радиометр (спектрорадиометр) ЗЛ'-миллиметрового диапазона длин волн. Встроенные в него средства последовательного и параллельного фильтрового спектрального анализа, позволили оптимизировать процедуру спектральных измерений, а в совокупности с частотной перестройкой дали возможность измерения нескольких спектральных линий на относительно коротком отрезке времени.

Для изучения атмосферы и ее мониторинга необходим комплексный подход с использованием различных методов. Поэтому развитие методов дистанционного зондирования атмосферы является актуальной задачей. Наземное дистанционное зондирование имеет ряд преимуществ по сравнению с баллонными, ракетными и спутниковыми методами. Это возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, дешевизна и экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях. Традиционно (с 60-х годов XX века) для зондирования атмосферы используются радиометры инфракрасного диапазона [9]. Однако с 80-х годов активно развиваются радиоастрономические методы исследования атмосферы. Микроволновый диапазон для дистанционного зондирования имеет существенные преимуществапрежде всего это слабая зависимость от присутствия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Кроме того, с уменьшением частоты увеличивается высотный предел дистанционного зондирования.

Атмосферные спектральные линии — теллурические линии — несут информацию об общем содержании и распределении по высоте исследуемых газов. С ростом частоты увеличивается роль доплеровского уширения линий, а в высотном распределении газов появляется область, где исчезает зависимость ширины спектральных линий от давления и, следовательно, от высоты. В связи с этим становится невозможным изучение высотного строения атмосферы по данным наземных наблюдений. Высоту, начиная с которой ширина линий перестает зависеть от высоты, называют верхним пределом дистанционного зондирования. В миллиметровом диапазоне (~10'л Гц) верхний предел составляет ~70 км, в то время как в ИК диапазоне (~10'л Гц) —4 0 км. Максимальная высота подъема зондов также равна примерно 40 км. Следовательно, радиодиапазон может быть использован для изучения гораздо более высоких слоев атмосферы — верхней стратосферы и нижней мезосферы.

Основными газами, поглощающими электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, являются водяной пар и кислород. В линиях поглощения этих газов атмосфера становится практически непрозрачной.

ДЛЯ радиоволн. Однако в частотных интервалах между этими линиями, так называемых окнах прозрачности, значительный вклад в общую оптическую толщу атмосферы могут вносить линии примесных атмосферных газов (малых составляющих), таких как озон, окислы углерода и азота.

Земная озоносфера длительное время является предметом широкомасштабных исследований и связано это прежде всего с тревожащим убыванием содержания озона в атмосфере. Оценка наблюдаемой в последние годы скорости убывания полного содержания озона в атмосфере — «тренда» — неоднократно уточнялась, и в настоящее время считается, что его общее содержание снижалось с 1970 по 1994 год со скоростью 1,7±0,4% за десятилетие, а в широтной зоне 35°-90°К — со скоростью 2±0,8% за десятилетие [12].

Существует немало механизмов обеднения озонного слоя. Среди них уместно выделить некоторые виды человеческой активности, которые приводят к доставке разрушающих озон соединений непосредственно в стратосферу (сверхзвуковые самолеты, космические аппараты, производство и выбросы в атмосферу фреонов и др.). Со времени обнаружения озоновой дыры в Антарктиде (первое сообщение появилось в работе [13]) полное содержание озона на высоких широтах в окрестности Южного полюса сократилось более чем на 50%.А Из-за процессов атмосферной циркуляции обедняется и озонный слой в средних широтах. Существуют также потери озона, которые могут быть отнесены к активности северного подобного найденному у Южного полюса полярного вихря. В 1994;95 годах наблюдались рекордно низкие содержания озона над Сибирью [14] -регионом, не выделяющимся своей индустриальной активностью. Но нужно отметить, что наблюдаемая скорость обеднения озонного слоя (~2% в десятилетие) дает годовые изменения содержания озона, такие же по порядку величины или даже меньшие, чем его годовые флуктуации. И это также требует своего объяснения. Нет сомнений, что озоносфера будет оставаться предметом глобальных исследований и мониторинга в течение длительного времени.

Исследования озоносферы радиоастрономическими методами активно ведутся в течение 2-х последних десятилетий. Используются как бортовые радиометры (см., например, [10]), так и наземные станции различных географических регионов (см., например, [И]). В настоящее время можно считать, что радиоастрономические методы хорошо апробированы как в измерениях полного содержания озона, так и в определениях его высотного профиля концентрации.

Разрушающее действие на атмосферный озон оказывают так называемые КОх соединения (такие как N0, N02 и др.), источником которых является в основном МгО — закись азота, очень стабильный и долгоживу Предполагается, что озоновая дыра над Антарктидой сохранится до -2045 года [15]. щий (в тропосфере — около 150 лет) газ. Под действием ультрафиолетовой солнечной радиации в стратосфере он разлагается главным образом на атомы кислорода и азота. Цепочка последующих реакций приводит к возникновению соединений КОх. Главный источник происхождения закиси азота — естественный. Однако антропогенный вклад и в этом случае возрастает и им нельзя пренебрегать [16]. Необходимо отметить, что химия соединений КОх очень сложна [17] и мониторинг закиси азота и ее производных должен быть включен в исследования по озонной проблеме.

Современный уровень развития техники миллиметрового диапазона делает выполнимой задачу мониторинга линий N20. Первые попытки обнаружения линии N20 в миллиметровом диапазоне длин волн не привели к уверенным результатам вследствие недостаточной чувствительности аппаратуры и методических сложностей. Фактически они давали чрезмерно завышенную до верхнего предела интенсивность линии N20 ^4->5 [18, 19]. В данной работе приведены результаты новой экспериментальной оценки интенсивности линии закиси азота, соответствующей переходу между вращательными уровнями 1=3->4. Эти результаты сопоставляются с расчетами интенсивностей линии N20, выполненными на основе последних данных о профиле концентрации закиси азота.

В нашей стране работы по спектральным измерениям атмосферного поглощения, связанного с озоном и другими примесными газами в миллиметровом диапазоне длин волн, начали проводиться в начале 70-х годов в НИРФИ (Научно-исследовательский радиофизический институт, Г. Горький) [13, 20] и затем продолжились в ИПФ (Институт прикладной физики, г. Горький) АН СССР. Первые экспериментальные определения оптической толщины в линиях озона были сделаны в 1974;75 годах [20, 21]. Полученные результаты показали хорошее согласие с расчетом. Тогда же были зарегистрированы временные вариации ширины и интенсивности озоновых линий. В последующие 1976;77 годы измерения спектров излучения атмосферы в линиях озона продолжались и развивались [22], и весной 1978 года был измерен контур спектральной линии озона на частоте 96,2 ГГц [23]. В измерениях был использован спектральный супергетеродинный радиометр с 10-ю фильтрами, имеющими полосы пропускания порядка 3,5 МГц. Особенностью данных измерений явилось то, что некоторые из них были выполнены при облачной атмосфере. При этом линия озона наблюдалась уверенно. В 1979 году измерялся контур теллурической линии озона на частоте 142,2 ГГц [24]. Там же были получены предварительные данные относительно высотного распределения концентрации озона.

С конца 70-х годов в г. Горьком (позднее — в Нижнем Новгороде) непрерывно ведутся работы по разработке аппаратуры для дистанционного зондирования в миллиметровом диапазоне и исследованию озона и других малых составляющих атмосферы.

В апреле 1983 года в горах Заилийского Ала-Тау были проведены измерения прозрачности атмосферы на волне 2 мм [25, 26]. В течение трех дней исследовались спектры поглощения и излучения линии озона с резонансной частотой 142,2 ГГц. Данные наблюдений были использованы для определения количества озона в стратосфере Земли. Обнаружилось, что суточные вариации количества озона в стратосфере для Горького и Алма-Аты противоположны по знаку.

Для дальнейшего изучения изменчивости озона в стратосфере и определения временных масштабов его вариаций были проведены долговременные наблюдения на частоте 101,7 ГГц в период времени с осени 1986 года до весны 1988 года (г. Апатиты, Кольский п-ов) [27−30]. Круглосуточные высокоширотные наблюдения выявили большое разнообразие вариаций интенсивности и формы атмосферной линии озона, что отличает эти вариации от им подобных на средних широтах. Это связывалось, главным образом, с наличием сильных изменений плотности озона в области высот до 50 км, которые, по-видимому, значительно превосходили регулярный суточный ход, отмечавшийся в умеренных широтах. В один из дней в течение часа содержание озона выше 30 км увеличилось более чем в два раза, а затем в течение трех-четырех часов релаксировало к прежнему уровню. Обнаруженные быстропеременные вариации содержания озона на высотах более 30 км с характерными временами порядка часа наблюдались в отдельные дни полярной ночи и в условиях относительно спокойной геомагнитной обстановки. В работе [31] был предложен динамический (волновой) подход к интерпретации «быстрых» вариаций озона, основанный на взаимодействии внутренней гравитационной волны со сдвиговым течением в окрестности критического слоя, где фазовая скорость волны совпадает со скоростью течения. Возможны и другие механизмы таких вариаций.

Приполярные области являются зонами вторжения корпускулярных потоков высокоэнергичных частиц из солнечного ветра в геомагнитосферу и далее в ионосферу. Кроме того, при обтекании магнитосферы Земли солнечным ветром возникают различного рода неустойчивости в плазменных образованиях на ее границе и в хвостеЛ. Возбуждаемые вследствие этого волны способны достигать поверхности Земли и находят проявление в геомагнитной активности. Основным фактором, влияющим на геомагнитную активность, является солнечный ветер. Однако нет каких-либо данных, которые свидетельствовали бы о взаимосвязи процессов в геомагнитосфере и атмосфере. Обнаруживаемая корреляция между солнечной.

См., например, работы [49−56], в которых исследовались неустойчивости токовых слоев геомагнитосферы. Возникающие вследствие таких неустойчивостей волны способны достигать поверхности Земли преимущественно вблизи геомагнитных полюсов, что засвидетельствовано имеющимися экспериментальными данными [54]. активностью и состоянием озонного слоя объясняется влиянием на него ультрафиолетовой составляющей солнечной радиации. Роль же корпускулярного потока от Солнца и «вмороженного» в него межпланетного магнитного поля предстоит выяснить. И на этом пути важно установить степень и характер зависимости параметров озоносферы от солнечной активности. Такое заключение позволяют сделать и имеющиеся экспериментальные данные [57].

В зимне-весенний период 1988;89 гг. на о. Хейса (архипелаг Земля Франца-Иосифа) был организован комплексный эксперимент по изучению структуры и динамики озонового слоя в полярных широтах Северного полушария. Были проведены две непрерывные серии измерений [32−34]. При сопоставлении результатов микроволнового зондирования с данными других методов было показано, что микроволновые наблюдения являются достаточно надежным способом исследования атмосферного озона [32].

В 1989;90 гг. наблюдался стратосферный озон в Антарктиде [35]. С помощью двухлучевого радиоспектрометра были зарегистрированы пространственные неоднородности в распределении стратосферного озона, расположенные на расстоянии 300.400 км, названные «озоновыми облаками» [36]. Микроволновые исследования озона проводятся также в Физическом Институте Академии Наук (ФИАН) в Москве [37−39А.

Важную информацию о происходящих в атмосфере процессах дают одновременные измерения, а затем и сопоставления линий озона, принадлежащие разным переходам. Интерес к этому возник потому, что по изменению соотношения интенсивностей линий можно судить о справедливости принимаемой обычно модели атмосферы с равновесным распределением молекул по энергетическим уровням. Важно при этом определить факторы, которые наиболее ответственны за наблюдаемые вариации в соотношении интенсивности линий.

Предположение о локальном термодинамическом равновесии является основным при решении обратных задач дистанционного зондирования атмосферы. По решению такой задачи определяется высотный профиль концентрации примесных составляющих. Однако предположение о локальном термодинамическом равновесии не выполняется для верхних слоев атмосферы, где заселенности возбужденных состояний молекул определяются не только процессами столкновений, но и процессами радиационного возбуждения. Нарушения локального термодинамического равновесия в атмосфере наблюдаются прежде всего для колебательных степеней свободы молекул, но в последние годы для ряда молекул обнаружены и нарушения вращательного равновесия [40].

Одновременные наблюдения теплового радиоизлучения озона в линиях, соответствующих энергетическим состояниям с существенно отличающимися квантовыми числами, могут привести к обнаружению новых связей между состоянием атмосферы Земли и солнечной активностью.

Одним из ее аспектов является использование атмосферных линий озона как индикатора солнечной активности. Теоретическая сторона проблемы довольно сложна, поскольку, а priori неизвестно, какой из видов солнечной активности (протонные вспышки, солнечный ветер, нейтронная компонента, УФ-радиация и т. п.) являются наиболее значимыми.

При действии возмущающих факторов вариации содержания озона в верхней стратосфере происходят за время порядка нескольких часов [41]. Поэтому при интерпретации переменчивости радиоизлучения озона важно учитывать не только процессы фотохимии и переноса, но и следить за сохранением локального термодинамического равновесия озоновых молекул, что может быть реализовано одновременным наблюдением линий, принадлежащих разным переходам.

Решение задачи дистанционного зондирования требует создания радиометрических спектрометров (спектрорадиометров), имеющих соответствующие форме исследуемых линий параметры: полосу анализа и разре-шаюшую способность. Сильные отличия в формах линий и изменчивость высотных распределений плотностей газов в атмосфере требуют к тому же достаточно гибких алгоритмов работы спектрорадиометров. Эффективность применения того или иного алгоритма анализа определяется особенностями спектральных линий, принадлежащих атмосферным газам. Это теллурические линии, для которых характерны узкая спектральная область максимума в центре линии и достаточно протяженные периферийные области (крылья) с относительно медленным ослаблением интенсивности по мере удаления от центра. Ввиду спектральных особенностей теллурических линий применен параллельно-последовательный анализ. Параллельный анализ с высоким частотным разрешением используется в интервале частот с максимальным частотным градиентом интенсивности излучения, последовательный анализ — для получения крупномасштабной структуры спектра.

В данной работе представлен измерительный комплекс для дистанционного зондирования атмосферы в З’Л-миллиметровом диапазоне длин волн, особенностью которого является 1) возможность выбора соответствующей форме наблюдаемой линии процедуры измерений и 2) возможность перестройки в диапазоне 90−110 ГГц, позволяющая одновременно (с интервалом меньше часа) измерять несколько теллурических линий.

Исследовались спектрально-временные характеристики радиоизлучения атмосферы на частотах 90−110 ГГц [62, 64, 65]. Фильтровой анализ проводился параллельно в полосе 30 МГц (с разрешающей способностью 2 МГц и с шагом настройки каналов 1 МГц) и последовательно с помощью перестраиваемого фильтра с полосой пропускания 20 МГц. С помощью параллельных фильтров измеряется центральная область исследуемой линии. Более широкополосный перестраиваемый фильтр используется для анализа «крыльев» линии. На протяжении нескольких лет исследовался атмосферный озон по линиям на частотах 96 228 МГц и 101 736 МГц. Результаты опубликованы в [67, 73−76, 79, 80, 86, 88]. Кроме того, проводились исследования атмосферной закиси азота на частоте 100 492 МГц первоначально с целью обнаружения [92, 93], а затем и с целью выявления ее переменности [94−96, 99].

Многоканальный радиометрический анализатор был применен для решения задач микроволновой спектроскопии. Параллельный спектральный анализ позволяет, в принципе, сократить время получения спектра и делает возможным, при достаточно широкой полосе анализа, одновременное измерение нескольких линий различных газов. При этом необходимо использовать для возбуждения линий широкополосный генератор шума или свип-генератор с временем обзора, малым по сравнению с временем релаксации линий. Последний метод используется в КСИ-спектроскопии [58], с помошью которой удалось реализовать чувствительность по коэффициенту поглощения -2−10″ Л см~л при мощности генератора ~1 мВт, длине ячейки 1 м и времени накопления 1 с. Следует отметить трудность разделения сигналов от близких линий при использовании широкополосного приемника.

Обычная чувствительность сканирующих спектрометров в миллиметровом диапазоне длин волн составляет 10'л-ь10″ л см'', что определяется высоким уровнем ложных сигналов, возникающих в тракте при отражениях и интерференции зондирующего излучения. В КСИ-спектрометре эта проблема решается благодаря существенному отличию времен релаксации линии (порядка 10″ л с) и резонансных элементов в тракте (10''° + 10'л с). И все же КСИ-спектрометр не свободен от ограничений чувствительности вследствие интерференции, а при измерениях широких линий эти ограничения усиливаются.

В диссертации исследуются возможности применения многоканального радиометра в лабораторной спектроскопии трехмиллиметрового диапазона длин волн. Нужно выделить два направления этой работы, отличающиеся тем, что в них использовались разные источники сигналов для возбуждения линий: широкополосный генератор шума и источник гармонических колебаний. В обоих случаях исследовалась линия OCS во вращательном переходе J= 7->8 (резонансная частота 97 301 МГц) при давлении в спектроскопической ячейке 0,2−1 Topp и осуществлен параллельный анализ спектра линии в полосе частот 30 МГц при разрешении 3 МГц.

Разница состояла в том, что в первом случае [101] газ в ячейке спектрометра с параллельным анализом спектра (спектроскопа) возбуждался газоразрядным генератором шума. Была достигнута чувствительность по коэффициенту поглощения в газе около 3−10″ л см" ' при длине ячейки 1 м и времени накопления 15 с. Здесь важно было помимо изучения возможности создания спектроскопа получить оценку технических ограничений чувствительности в сравнении ее с теоретически достижимым уровнем. Теоретически показано, что чувствительность спектроскопа может быть увеличена на порядок за счет улучшения его конструкции. Разработанный спектроскоп конкурентоспособен по чувствительности со сканирующими спектрометрами, а реализация параллельного анализа спектра дает ему некоторое преимущество. При анализе линий с шириной порядка 1 ГГц может быть достигнута чувствительность около 10″ а см" '.

Во втором случае ставилась задача создания активного спектрометра, в котором высокая чувствительность, обеспечиваемая гармоническим возбуждением молекулярных линий, сочеталась бы с оперативностью многоканального анализатора. Основная задача связанных с этим исследований сводилась к проверке возможности применения в спектроскопии двойного вращательного резонанса (ДВР). Суть идеи двойного вращательного резонанса состоит в том, что поглощение газа измеряется при одновременном возбуждении его излучением широкополосного генератора шума и сигналом накачки на частоте соседнего нижележащего (сопряженного с исследуемым) вращательного перехода. При этом мощность сигнала накачки должна быть такой, чтобы сопряженный переход вводился в состояние насыщения. Исследуемым газом был 0С8. Гармоническая «накачка» производилась на частоте 85 139 МГц, соответствующей переходу 7=6-А7 ОС8, для его насыщения. При этом обогащается населенность уровня 7=7 и достигается увеличение чувствительности спектроскопа в линии 7=7->8. Экспериментально обнаружен стационарный эффект ДВР. Теоретически исследованы возможности использования ДВР в радиоспектроскопии. Метод ДВР позволяет полностью исключить погрешности измерений, связанные с интерференцией зондирующего сигнала в тракте, что подтверждено экспериментом.

Современные системы обработки сигналов, как правило, сочетают аналоговую и цифровую обработку. Цифровым способам обработки сигналов отдается предпочтение всегда, когда для этого есть необходимые предпосылки. И прежде всего — это возможность обработки сигналов в реальном времени. Цифровые системы стабильны, они просто адаптируются и перестраиваются. Их можно реализовать с помощью заказных интегральных схем, программируемой логики или цифровых процессоров.

Структура и способы обработки сигналов в значительной степени зависят от диапазона рабочих частот. В диссертации рассмотрены однока-нальный с последетекторной цифровой обработкой и многоканальный -239]с цифровым фильтровым анализатором модуляционные радиометры.

Необходимость применения цифровой обработки в одноканальном радиометре продиктована прежде всего тем, что она повышает стабильность и расширяет функциональные возможности синхронного детектирования. Последнее есть следствие того, что цифровой синхронный детектор допускает более широкие пределы изменения характеризующих его работу параметров (в частности, постоянной времени) по сравнению с аналоговым схемотехническим вариантом. Не менее важной является также возможность осуществления программными средствами сложных процедур, реализующих функции адаптации РПУ к условиям приема поступающего на его вход сигнала. В частности, это относится к рассмотренной в диссертации (см. ниже) адаптивной компенсации помех, которую трудно выполнить, располагая только аналоговыми средствами обработки.

Реализация цифровыми методами фильтрового спектрального анализа обусловлена фактором контролируемости параметров, а также простотой перестройки и изменения числа фильтрующих звеньев. Цифровая фильтрация была применена в описанном выше спектрорадиометре З''-миллиметрового диапазона с целью повышения качества анализа центральной части наблюдаемых с его помощью теллурических линий. Применительно к задачам диагностики озоносферы Земли это позволяет поднять верхний предел зондирования распределения плотности озона по высоте. При этом цифровому анализу отводится полоса частот одного из параллельных (настроенных на центр линии) каналов спектрорадиометра.

Цифровая обработка, связанная с выполнением стандартных функций РПУ, относительно нетрудоемка и в значительной степени поддерживается аппаратными средствами — специализированными вычислителями и цифровыми процессорами сигналов. Сложные алгоритмы обработки сигналов, требующие больших объемов памяти и вычислительных мощностей, приходится выполнять в два этапа. На первом (предварительном) этапе обрабатываемый сигнал переводится в цифровую форму и сохраняется. Основная обработка сигнала реализуется на втором этапе и целиком программными средствами. При этом специфика первого этапа не имеет значения, поскольку на основной стадии сигнал обрабатывается в базовой полосе частот. Такой способ разделения обработки был применен для решения задач, связанных со спектрально-временным анализом по методу Вигнера-Вилля [103], представляющему собой преобразование Фурье по сдвиговому времени от «локальной» автокорреляционной функции аналитического сигнала. Необходимость в таком методе анализа возникла при обработке низкочастотных пульсаций, модулирующих микроволновое излучение солнечных вспышек, и акустических шумов в области сердца человека.

Известно, что метод Вигнера-Вилля обеспечивает высокое частотно-временное разрешение [107, 222]. По этой причине он нашел широкое применение в геофизической разведке [223], океанологии [224], при проектировании акустических приборов [225] и т. д. Однако получение распределения Вигнера-Вилля (ВВР) основано на нелинейном интегральном преобразовании и поэтому ему свойственны искажения спектрально-временного распределения сигнала. В связи с этим актуальна задача разработки методов уменьшения интермодуляционных искажений в ВВР. В диссертации рассмотрены способы уменьшения интермодуляционных искажений в ВВР, основанные на предварительной обработке анализируемых сигналов. Побудительным стимулом к разработке таких способов послужило то, что реально наблюдаемые сигналы зачастую наряду с полезными компонентами содержат достаточно значительные по мощности побочные составляющие, которые локализованы на относительно узких временных или частотных интервалах. Такие побочные составляющие легко обнаружимы и поэтому их можно подавить путем предварительной (предшествующей вычислению ВВР) фильтрации [227, 228].

Часто обработку сигналов приходится выполнять в присутствии помех как естественных, так и от других установок. Поэтому одной из важных проблем является разработка методов и принципов построения измерителей, работающих наилучшим образом в условиях широкого диапазона изменения параметров измеряемых сигналов и при действии различных по характеру помех. Отсутствие априорной определенности в характеристиках помех ведет к необходимости использования адаптивных систем, параметры которых изменяются в зависимости от поступающей в процессе обработки информации как о сигнале, так и о помехе.

Известные адаптивные устройства большей частью основаны на автоматической компенсации помех, оптимальной фильтрации, идентификации и моделировании неизвестных систем, коррекции линейных и нелинейных искажений. При этом возникает задача оценки эффективности работы таких адаптивных систем, что в значительной мере затруднено из-за нелинейных и нестационарных эффектов, имеющих место в измерительных системах.

Существенное улучшение качества работы ИС достигается при использовании цифровых методов обработки сигналов [122−125, 129, 130]. В практике таких систем наибольшее распространение получили два критерия оптимизации: максимума отношения сигнал/п1ум, или эквивалентный ему критерий максимума вероятности правильного обнаружения сигнала при фиксированной вероятности ложной тревоги [133, 156−162] и минимума среднеквадратичной ошибки (СКО) [145−148, 152, 165]. Теория адаптивных систем, оптимизирующихся по указанным критериям при помощи стохастических градиентных методов, реализуемых, как правило, с использованием корреляционных обратных связей, разработана достаточно полно [145, 150, 157].

Большое число работ было выполнено по созданию адаптивных систем управления. Среди них следует выделить работы, касающиеся адаптивных систем с эталонной моделью [163, 164]. Были предложены системы, в которых отсутствовала эталонная модель и не требовалась априорная информация о параметрах исследуемого объекта. Эти системы позволяли осуществлять идентификацию параметров объекта в реальном масштабе времени [151, 154, 165]. Здесь процесс идентификации эквивалентен процессу, осуществляемому посредством градиентного метода оценивания параметров [130, 135]. По такому принципу строятся адаптивные фильтры [131, 132, 136, 138, 142, 148], автоматические компенсаторы эхо-помех [134, 137, 143, 149, 170] и т. п. В таких системах обработка заключается в суммировании сигналов и шумов с весами. Однако вычисление значений оптимальных весов оказывается весьма громоздким, поскольку количество необходимых арифметических операций пропорционально третьей степени числа весовых коэффициентов [146].

Практически приемлемой альтернативой является итерационная (адаптивная) асимптотически-оптимальная процедура, которая позволяет отыскать оптимальные весовые коэффициенты методом последовательных приближений. При этом должны быть известны характеристики сигнала, но не нужны характеристики шумов и помех, а количество арифметических операций пропорционально числу весовых коэффициентов [146]. В работах [139−141, 144−147, 152, 155−162] рассматриваются такого рода алгоритмы адаптивной обработки сигналов применительно к задачам радиосвязи и радиолокации.

Борьба с помехами средствами адаптивной обработки, как правило, предполагает селекцию сигнала по измеряемому параметру. Примером служит временная (по фазе, частоте повторения и длительности) селекция, применяемая в импульсных радиолокаторах[168, 169, 171]. В работах [153, 157] рассмотрена адаптивная фильтрация сигналов в системах селекции движущихся целей. Суть ее сводится к стробированию приемного тракта на время действия принимаемых сигналов. Само по себе это средство эффективно в отношении синхронных помех, но не исключает мешающее воздействие помех несинхронных. Характерным признаком последних является их нестационарность, при которой мощность флуктуирует по априорно неизвестному закону. В связи с этим была и остается актуальной задача создания мобильных ИС, способных самостоятельно оценивать создаваемые помехами условия обработки сигналов и по мере их изменения принимать необходимые решения. Эффективность таких решений, с одной стороны, зависит от наличия способов или признаков, используя которые помеху можно было бы отделить (или отличить) от сигнала, а с другойот требуемых для реализации механизма адаптации ресурсов (временных, частотных или каких-либо других).

Типична ситуация, когда помехи по мощности превосходят сигнал. Тогда задачу отделения помех от сигнала можно решить с помощью порогового обнаружителя. Способ оценки помеховой ситуации зависит от алгоритма адаптации. В диссертации представлены две его разновидности.

По одной из них система адаптации строится исходя из предположения о возможности управления работой канала связи и использования свободного временного и/или частотного ресурсов. Подобные адаптивные системы рассмотрены 1) в плане приложения к созданию адаптивных радиолокационных систем [113−116, 118−121, 241] и 2) в плане разработки методов защиты от помех модуляционных радиометров [117, 176−179]. Первоначально разрабатывались методы защиты и технические решения с ориентацией на применение в импульсной радиолокации. Затем те же методы и большая часть технических решений с незначительными изменениями были перенесены в сферу радиометрии. Существенным здесь является различие в объектах управления. В радиолокационных системах (следящих измерителях временной задержки) управление распространяется на приемное и на передающее устройства. В радиометрах объектом регулирования является генератор модулирующего напряжения, регламентирующий работу переключателя антенна/эквивалент на входе РПУ. Важной особенностью является также то, что управление процессом формирования сигнала (случай с радиолокационными системами) предоставляет более широкие возможности обеспечения принимаемому сигналу таких параметров, которые были бы ортогональны аналогичным параметрам помех на входе РПУ.

Вторая разновидность алгоритма адаптации основана на компенсационных методах. Эти методы не требуют свободных частотно-временных или каких-либо других ресурсов. Связанные с их разработкой задачи актуальны для радиометрии, использующей диапазоны частот, в которых действует большое число источников электромагнитного излучения (естественного или производимого электронными средствами). В диссертации предложен и исследован адаптивный модуляционный радиометр с компенсацией помех, способный реализовать свою потенциальную (обусловленную собственными шумами РПУ) чувствительность в условиях действия априорно неопределенных помех [1 82, 1 83].

Немаловажным источником погрешностей радиометрических измерений является несогласованность межмодульных соединений в РПУ. Это особенно существенно в тех случаях, когда РПУ радиометра перестраивается в значительных пределах. Такое может быть при сопоставительных измерениях значительно разнесенных по частоте спектральных линий или при использовании в радиометре частотной модуляции. Поэтому в диссертацию включен раздел, посвященный методике и способам компенсации эффектов интерференции, возникающих в радиочастотном тракте РПУ из-за несогласованности фидерных соединений модулей РПУ [185].

Большое число измеряемых параметров, широкий диапазон измерений их величин, а также необходимость управления процессом измерений требуют соответствующих средств автоматизации. Связанные с этим вопросы решались при создании спектрорадиометра 3А-миллиметрового диапазона длин волн. Рассмотрена типичная для измерительных систем структура, составленная из управляющей ЭВМ и специализированного интерфейса для связи с устройствами ввода/вывода. Импульсные процессы, сопровождающие обмен данными между ЭВМ и внешними устройствами, являются источником значительных помех, действующих большей частью в частотных диапазонах трактов промежуточной частоты. Поэтому решение задачи управления сложными измерительными комплексами не ограничивается только разработкой логики управления, но требует создания средств, предназначением которых является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) цифровой системы управления с аналоговыми (принадлежащими, например, РПУ) компонентами. Вопросы, связанные с созданием технических и программных средств обеспечения ЭМС в измерительных системах рассмотрены как прикладные для спектрорадиометра Зл'-миллиметрового диапазона длин волн [66].

В совокупности перечисленные выше цели и задачи определили предмет данной диссертационной работы: создание, теоретическое обоснование и использование в научных экспериментах и практических приложениях методов и средств обработки сигналов, используемых при зондировании, диагностике и изучении физических объектов и процессов. Сюда прежде всего нужно отнести аппаратуру и методы дистанционного зондирования атмосферы Земли, аппаратуру и методы микроволновой радиоспектроскопии, цифровые и вычислительные средства спектрально-временного анализа, а также методы и средства борьбы с внешними и свойственными измерительной аппаратуре факторами, оказывающими разрушающее действие на точность измерений.

Научная новизна.

1. В диссертации впервые предложены, теоретически исследованы и применены для дистанционного зондирования атмосферы Земли и в лабораторной микроволновой радиоспектроскопии оригинальные аппаратура и методы спектральных и спектрально-временных измерений.

1.1, Гибкая схема параллельно-последовательного спектрального анализа спектрорадиометра 3''-миллиметрового диапазона длин волн и возможность его частотной перестройки позволили.

1) впервые поставить и решать задачу одновременного измерения и сопоставления нескольких озоновых линий [76, 79, 80, 86, 88], что дает возможность обнаружения новых связей между состоянием атмосферы Земли и солнечной активностью. Одним из ее аспектов является использование атмосферных линий озона как индикатора солнечной активности,.

2) провести оригинальную программу одновременных наблюдений 4-х линий атмосферного озона с целью определения их относительных ин-тенсивностей [75, 80]. Наиболее полные данные получены по линиям с резонансными частотами 96 228 МГц и 101 736 МГц. Наблюдались также более слабые линии на частотах 103 878 МГц и 110 836 МГц. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям нескольких линий. Вариации отношения интенсивностей линий позволили сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул по вращательным энергетическим уровням,.

3) получить новые результаты, касающиеся атмосферной закиси азота. Была обнаружена линия N2O на частоте 100 492 МГц [92, 93], В процессе последовавших за этим исследований была установлена переменность линии N2O, Тем самым открылась новая возможность дистанционного контроля процессов вертикального перемешивания в стратосфере Земли [94−96].

1.2. Впервые реализована схема активного спектрометра с многоканальным анализатором высокого разрешения. Предложены два варианта схемы микроволнового спектроскопа с использованием одного «шумового» или двух разных «шумового плюс гармонического» источников сигналов возбуждения газа в спектроскопической ячейке. Обе спектрометрические схемы в литературе не описаны. Теоретический анализ позволил установить, что на базе предложенных схем можно реализовать фундаментальный предел чувствительности радиоспектрометра [101'.

2, Разработаны и экспериментально исследованы цифровые модуляционные радиометры: одноканальный с последетекторной цифровой обработкой и многоканальный с цифровым фильтровым анализом по второй промежуточной частоте 30 МГц, дополняющим параллельный фильтровой анализ спектрорадиометра З’Л-миллиметрового диапазона [239],.

3, Метод вычисления спектрально-временных характеристик низкочастотных колебаний (метод Вигнера-Вилля в сочетании с предварительной обработкой исследуемого сигнала) позволил впервые получить динамические спектры низкочастотных флуктуации интенсивности микроволнового излучения солнечных вспышек на частотах 22 и 37 ГГц [ПО, 226 229] и выделить ранее не обнаруженные спектрально-временные особенности акустического шума в области сердца человека [238, 240],.

4, Разработаны и экспериментально проверены защищенные авторскими свидетельствами на изобретение [113, 114, 241] методы и технические решения по созданию адаптивных следящих измерителей временной задержки (импульсных радиодальномеров), принцип действия которых основан на использовании свободного частотно-временного ресурса [113 116, 118−121,241],.

5, Предложена концепция, исследованы методы и разработаны варианты схемной реализации способов защиты модуляционных радиометров от импульсных помех. Методы защиты основаны на использовании свободного частотно-временного ресурса и управлении модулирующим сигналом [117, 176, 177]. Варианты схемной реализации радиометров защищены авторскими свидетельствами [178, 179].

6. Разработан, теоретически и экспериментально исследован модуляционный радиометр с адаптивной компенсацией помех по методу минимума среднеквадратичного отклонения (метод наименьших квадратовМНК) [182, 183]. Отличительной чертой алгоритма компенсации является возможность регулирования не только весового коэффициента, но и амплитудной характеристики компенсационного канала, что имеет важное значение для расширения динамического диапазона радиометра и снижения требований к идентичности амплитудных характеристик основного и компенсационного каналов. Применение адаптивной компенсации позволяет реализовать обусловленную собственными шумами РПУ чувствительность радиометра в условиях действия значительных по мощности помех [182, 183].

Научное и практическое значение работы.

Научное и практическое значение работы заключено в разработке методов измерений, а также аппаратных и вычислительных средств обработки сигналов, предназначенных для использования в информационно-измерительных системах и при исследовании физических объектов по их радиоизлучению.

1. Создан комплекс измерительной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы Земли и радиоспектроскопии в З’Л-милли-метровом диапазоне длин волн. Разработана и апробирована методика спектральных измерений.

1.1. Проведено исследование ряда теллурических линий озона и корреляции временных вариаций отношения их интенсивностей с солнечной активностью [67, 73−76, 79, 80, 86, 88]. В результате.

1) установлена слабая корреляция этого отношения с солнечным нейтронным излучением,.

2) получены экспериментальные свидетельства возможных нарушений равновесного распределения молекул по вращательным энергетическим уровням.

Работа поддержана Госкомвузом России (грант по программе «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии человека», 1996;1997 гг.) и РФФИ (гранты 96−02−16 988а, 01−02−16 435а).

1.2. Исследована атмосферная закись азота. В результате:

1) обнаружена линия КгО на частоте 100 492 МГц [92, 93]. Волжский региональный Совет по проблеме «Распространение радиоволн» включил этот результат по N20 в годичный отчет РАН за 1998 г. в качестве одного из важнейших результатов;

2) найдена новая возможность дистанционного контроля процессов вертикального перемешивания в стратосфере Земли.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование параметров микроволнового спектрометра с параллельным анализом, построенного на базе многоканального радиометра, показало, что разработанный спектроскоп с шумовым источником возбуждения газа в ячейке конкурентоспособен по чувствительности со сканирующими спектрометрами, а реализация параллельного анализа спектра дает ему некоторое преимущество [98, 101]. Достигнута чувствительность по коэффициенту поглощения в газе около 3−10~а см~' при длине ячейки 1 м и времени накопления 15 с. Теоретически показано, что чувствительность спектроскопа с многоканальным параллельным анализатором может быть увеличена на порядок за счет улучшения его конструкции. При анализе линий с шириной порядка 1 ГГц может быть достигнута чувствительность около 10'а см~'. Экспериментально обнаружен эффект двойного вращательного резонанса. Теоретически исследованы возможности ДВР в радиоспектроскопии. Метод ДВР позволяет полностью исключить погрешности измерений, связанные с интерференцией зондирующего сигнала в тракте, что подтверждено экспериментально. Исследования в этом направлении поддержаны РФФИ (грант 96−02−16 988а).

3. В результате исследований низкочастотных флуктуации интенсивности микроволнового излучения солнечных вспышек на частотах 22 и 37 ГГц по данным радиоастрономической обсерватории Метсахови (Финляндия) [ПО, 226, 228, 229] обнаружены микроволновые всплески, промо-дулированные сигналами с линейной частотной модуляцией с положительным и отрицательным частотными дрейфами, что соответствует процессам накопления и диссипации энергии электрического тока в коро-нальной магнитной петле. Работа в этом направлении поддержана грантом РФФИ N0 01−02−16 435. Обнаружение магнито-звуковых колебаний коро-нальных магнитных петель по их радиоизлучению включено в годичный отчет РАН 2000 г.

4. Методы адаптации следящих измерителей временной задержки использованы в разработках систем защиты корабельных РЛС от непреднамеренных помех. Разработанное в связи с этим устройство защиты от импульсных помех включено в Спецкаталог [243А.

5. Предложенная в диссертации схема адаптивной компенсации помех по методу наименьших квадратов применена в лабораторном образце модуляционного радиотермометра, разработанного с целью применения в контактных измерениях температуры внутренних (удаленных от поверхности) областей биологических объектов в метровом диапазоне длин волн [240].

6. Методический и практический интерес представляют разработанные для спектрорадиометра 3''-миллиметрового диапазона средства обеспечения ЭМС цифровой системы управления с аналоговыми компонентами РПУ [66], поскольку подобные задачи приходится решать при создании сложных измерительных систем.

Положения, выносимые на защиту.

1. Созданы эффективные средства фильтрового спектрального анализа: многоканальный модуляционный радиометр с шумовой температурой -1000 К (В8В) с комбинированным параллельно-последовательным спек-троанализатором и цифровой системой автоматического управления.

2. Разработана и обоснована оригинальная методика измерения оптической толщины атмосферы Земли по слабым теллурическим линиям (-Ю-'Лнеп) в диапазоне 90. ПО ГГц и методы сопоставительного анализа этих линий.

2.1. В период 1996;2000 гг. получен обширный экспериментальный материал по линиям озона на частотах 96 228, 101 736, 103 878 и 110 836 МГц. Средние значения интенсивности измеренных линий согласуются с теоретическими оценками. Получены данные, характеризующие временные вариации интенсивности наблюдавшихся линий.

2.2. Впервые проведены одновременные наблюдения двух теллурических линий — на частотах 96 228 и 101 736 МГц. Вариации отношения ин-тенсивностей этих линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул по вращательным энергетическим уровням, что важно для моделирования происходящих в атмосфере процессов.

2.3. В результате исследований корреляции временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью, установлена слабая корреляция этого отношения с солнечным нейтронным излучением, что свидетельствует о влиянии происходящих в космическом пространстве процессов на состояние атмосферы.

2.4. Впервые обнаружена линия атмосферной закиси азота на частоте 100 492 МГц. Проведены долговременные наблюдения этой линии. Результаты показывают сильную переменность линии, что позволяет использовать мониторинг закиси азота в качестве индикатора процессов вертикального перемешивания в верхней стратосфере.

3. Для целей микроволновой радиоспектроскопии впервые применены две схемы спектрометра на базе многоканального модуляционного радиометра с параллельным фильтровым анализатором: схема с п1умовым источником возбуждения газа в спектроскопической ячейке и схема, в которой газ возбуждается от источников пхумового и гармонического (на частоте сопряженного перехода) излучений.

3.1. Показано, что спектроскоп с шумовым источником возбуждения газа в ячейке конкурентоспособен по чувствительности со сканирующими спектрометрами. При исследовании линии, соответствующей вращательному переходу / = 7-Л8 молекулы 0С8, достигнута чувствительность по коэффициенту поглощения в газе около 3−10~л см'' при длине ячейки 1 м и времени накопления 15 с. Чувствительность может быть увеличена на порядок за счет улучшения конструкции. При анализе линий с шириной порядка 1 ГГц она может достичь величины ~10~а см~.

3.2. В процессе экспериментальных исследований линии 0С8 (переход /=7->8) обнаружен эффект двойного вращательного резонанса при гармонической накачке на частоте сопряженного перехода6-А7. Метод ДВР позволяет полностью исключить погрешности измерений, связанные с интерференцией зондирующего сигнала в тракте, что подтверждено экспериментально.

4. Спектрально-временной с высоким разрешением анализ интенсивности солнечной радиации позволил впервые получить динамические спектры низкочастотных флуктуации интенсивности микроволнового излучения солнечных вспышек на частотах 22 и 37 ГГц.

4.1. Средствами предварительной обработки исследуемого сигнала повышено качество получаемых с помощью распределения Вигнера-Вилля (ВВР) динамических спектров. Показано, что предварительная обработка является эффективным средством 1) подавления значительных по величине и локализованных по частоте (или времени) побочных компонент сигнала и 2) уменьшения вклада продуктов нелинейного взаимодействия этих компонент со слабыми (подлежащими анализу) составляющими.

4.2. Обнаружены солнечные микроволновые всплески, промодулиро-ванные ЛЧМ-сигналами с положительным частотным дрейфом, что соответствует процессу накопления энергии электрического тока в корональ-ной магнитной петле (КМП). Обнаружена также ЛЧМ-модуляция с отрицательным частотным дрейфом, соответствующая мощной диссипации электрического тока в КМП во время солнечной вспышки.

5. Оригинальны и имеют практическое значение методы защиты измерительных систем от внешних значительно превышающих уровень сигнала помех, в основу которых положено использование свободного частотно-временного ресурса.

5.1. Экспериментально и методами численного моделирования показана возможность использования свободного временного ресурса для защиты следящих измерителей временной задержки от синхронных, квазисинхронных и периодически нестационарных случайных импульсных помех. Метод защиты основан на анализе временного распределения помех на тактовом интервале измерителя и управлении передающим и приемным устройствами таким образом, что сигнал на вход РПУ поступает в интервалы времени, где помехи отсутствуют или имеют минимальную интенсивность.

5.2. Предложены эффективные методы защиты модуляционных радиометров от мощных импульсных помех путем управления модулирующим напряжением как 1) на основе анализа частотного или временного распределений помех, так и 2) на основе непосредственной реакции на мешающее воздействие.

6. Впервые в радиометрии применена адаптивная компенсация помех по методу наименьших квадратов.

6.1. Предложена модификация МНК, специфика которой состоит в том, что объектом регулирования является амплитудная характеристика компенсационного канала.

6.2. Экспериментальными исследованиями подтверждена эффективность предложенного метода компенсации помех в модуляционном радиометре. Его применение позволяет реализовать потенциальную (обусловленную собственными шумами основного и компенсационного каналов) точность радиометрических измерений.

7. Решение задачи электромагнитной совместимости цифровой системы управления и РПУ спектрорадиометра 3 «-миллиметрового диапазона длин волн позволило выявить источники и причины возникновения взаимных (создаваемых компонентами цифровой системы управления) помех. Программные и схемотехнические приемы, обеспечившие ЭМС в аппаратуре спектрорадиометра, имеют методическое и прикладное значение для решения вопросов ЭМС в ИС с магистральным измерительным интерфейсом.

8. Интерференционные эффекты в межмодульных соединениях радиотракта РПУ микроволнового диапазона есть источник дополнительных погрешностей спектральных измерений. Уменьшить влияние эффектов интерференции в межмодульных соединениях на точность измерений можно методом компенсации: автоматически встроенными в радиометр средствами или программно в процессе обработки наблюдательных данных. Встроенные средства основаны на двойном преобразовании частоты, дающем возможность сохранения значения модуля амплитудно-частотной характеристики РПУ при изменении настройки радиометра за счет соответствующего управления частотами локальных гетеродинов.

Апробация работы.

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на Всесоюзной НТК «Информационные методы повышения эффективности и качества систем связи и радиоэлектроники» (Ереван, 1981), на НТК «Информационные методы повышения эффективности и качества систем связи и радиоэлектроники» (Горький, 1981), на Всесоюзной НТК «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств» (Горький, 1981), на Всесоюзной научно-практической конференции по теме «Конопус» (Москва, 1982), на Республиканской НТК «Методы и средства измерений в области ЭМС» (Винница, 1987), на I Украинском симпозиуме «Физика и техника мм и субмм радиоволн» (Харьков, 1991), на IV Всесоюзной школе по распространению мм и субмм волн (Н.Новгород, 1991), на XXV радио.

25 астрономической конференции (Пущино, 1993), на VI Всесоюзной НТК «Радиоприем и обработка сигналов» (Н.Новгород, 1993), на Международной конференции «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (Москва, 1995), на XXVII Международной радиоастрономической конференции «Проблемы современной радиоастрономии» (Санкт-Петербург, 1997), на Всероссийской астрономической конференции (Санкт-Петербург, 2001), а также на ежегодных итоговых научных конференциях по радиофизике (Н.Новгород, ННГУ, 1994;2001 гг.).

Перечень структурных элементов.

Диссертация состоит из введения, трех частей, заключения и списка литературы. Каждая из частей содержит по три главы. Объем основного текста составляет 199 страниц, 99 рисунков, 8 таблиц, библиография — 248 наименований на 12 страницах. Общий объем 267 страниц. Основные результаты изложены в работах [64−67, 74, 75, 79, 92, 95, 101, 113−119, 176−179, 182, 183, 185, 226, 227, 229, 239−245, 247]. По смежным с рассмотренными в диссертации вопросам опубликованы [49−53, 55, 56, 246].

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Микроволновая радиометрия и дистанционное зондирование атмосферы Земли.

1.1. Разработана методика спектральных измерений оптической толщины атмосферы по слабым теллурическим линиям (-10″ '' неп) примесных газов атмосферы Земли в диапазоне 96.110 ГГц.

1.2. Создан измерительный комплекс (аппаратура, система управления процессом измерений и программное обеспечение) для дистанционного зондирования атмосферы в диапазоне 90. ПО ГГц. Его основой является спек-трорадиометр с шумовой температурой ~1000 К (08В) и с комбинированным последовательно-параллельным фильтровым спектроанализатором. В отличие от аналогичных приборов для наблюдения малых составляющих данный спектрорадиометр имеет возможность 1) оптимизации процедуры измерений с учетом формы наблюдаемых спектральных линий и 2) оперативной (используемой при сопоставительном анализе различных линий) перестройки частоты.

1.3. В период 1996;2000 гг. ползшей обширный экспериментальный материал, позволивший выявить различия во временных вариациях интенсивности линий озона на частотах 96 228 МГц и 101 736 МГц. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям двух теллурических линий. Измерялись и другие, более слабые, линии озона (на частотах 103 878 МГц и 110 836 МГц). Обнаруженные вариации отношения интенсивностей линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул примесных газов в атмосфере по вращательным энергетическим уровням.

1.4. Впервые проведено исследование корреляции временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью. Установлена слабая корреляция этого отношения с солнечным нейтронным излучением.

1.5. Чувствительность спектрорадиометра позволила провести (впервые в мире) наблюдения линии атмосферной закиси азота в переходе / - 3А4 резонансная частота 100 492 МГц). Установлена переменность интенсивности этой линии, связанная с процессами переноса воздушных масс в стратосфере в области высот 20−55 км над уровнем моря. Это новая возможность дистанционного контроля процессов вертикального перемешивания в атмосфере.

2. Микроволновая радиоспектроскопия.

2.1. Предложены и исследованы две схемы активного спектрометра (спектроскопа) для газовой спектроскопии, работающего на базе 30-канального З’Л-миллиметрового радиометра. Обе схемы предназначены для исследования вращательных спектров в диапазоне 96.110 ГГц.

2.2. В одной из схем спектроскопа газ в спектроскопической ячейке возбуждается газоразрядным генератором шума. Достигнута чувствительность спектроскопа по коэффициенту поглощения в газе около 3−10″ л см~' при длине ячейки 1 м и времени накопления 15 с. Теоретически показано, что чувствительность спектроскопа может быть увеличена на порядок за счет улучшения его конструкции.

2.3. В другой схеме наряду с шумовым возбуждением применена гармоническая «накачка» газа на частоте вращательного перехода, сопряженного с исследуемым, для насыщения этого перехода (метод двойного вращательного резонанса). Такой метод позволяет полностью исключить погрешности измерений, связанные с интерференцией зондирующего сигнала в тракте, что было подтверждено экспериментом. Полная реализация его возможностей позволит увеличить чувствительность спектрометров всех типов до ее фундаментального предела.

3. Цифровые и программные средства обработки сигналов:

3.1. С целью повышения разрешающей способности спектрорадиометра З’Л-миллиметрового диапазона создан многоканальный блок цифрового фильтрового анализа сигналов в полосе 3 МГц на промежуточной частоте 30 МГц. Чувствительность применявшегося в радиометре РПУ позволила иметь 8 цифровых каналов с полосой пропускания по 800 кГц и шагом настройки 400 кГц.

3.2. Разработаны методика и программное обеспечение спектрально-временного анализа по алгоритму Вигнера-Вилля. Специфика разработанных средств заключена в предварительной (предшествующей вычислению распределения Вигнера-Вилля (ВЕР)) фильтрации, использование которой позволило уменьшить вклад в получаемые с помощью ВВР динамические спектры интермодуляционных искажений, свойственных нелинейному алгоритму Вигнера-Вилля. Показана эффективность предложенных средств обработки для анализа многокомпонентных сигналов, содержащих значительные по мощности и сосредоточенные по времени и/или частоте побочные составляющие.

3.3. Применение метода Вигнера-Вилля для анализа низкочастотных флуктуации интенсивности микроволнового излучения солнечных вспышек на частотах 22 и 37 ГГц по данным, зарегистрированным в радиообсерватории Метсахови (Финляндия), позволило.

1) впервые получить динамические спектры флуктуации и идентифицировать их как МГД колебания корональных магнитных петель (КМП) с периодами 0,6ч-0,8 с и 200ч-280 с, а также как собственные колебания эквивалентного КМП колебательного контура с характерным периодом порядка 1 с,.

2) обнаружить модуляцию интенсивности микроволнового излучения солнечных вспышек периодическими последовательностями импульсов с периодами 1−7-2 с, что может свидетельствовать о периодическом ускорении электронов во время солнечных вспышек,.

3) обнаружить микроволновые всплески, промодулированные сигналами с линейной частотной модуляцией с положительным и отрицательным частотными дрейфами и с характерными временами изменения частоты порядка времени развития вспышечного процесса (10Л-10'' с), что соответствует процессу накопления и диссипации энергии электрического тока КМП во время солнечной вспышки.

4. Зашита измерительных систем от внешних помех.

4.1. Теоретически обоснована возможность построения технически реализуемых и предназначенных для измерения неэнергетических параметров адаптивных следящих измерительных систем (ИС). Принцип действия таких ИС основан на использовании свободного ресурса в области значений измеряемого параметра А, (однопараметрическая адаптация) и заключается в смещении начала отсчета параметра X таким образом, что поступление сигнала на вход РПУ приходится на область значений X, действие помех в которой отсутствует или наименее вероятно.

4.2. Исследована математическая модель следящего импульсного измерителя временной задержки с адаптивной системой защиты от синхронных и квазисинхронных импульсных помех. В основу работы системы защиты положен алгоритм поиска/слежения за временным интервалом, в котором помехи отсутствуют или имеют минимум интенсивности. Экспериментально получены численные оценки эффективности системы с двумя «сторожевыми» стробами (стробами адаптации) для некоторых заданных параметров кольца слежения системы адаптации с астатизмом первого порядка.

4.3. Создан лабораторный макет адаптивного следящего измерителя временной задержки (импульсного радиодальномера), в котором реализован последовательный и последовательно-параллельный анализ временного распределения помех. Выведен критерий его эффективности. Экспериментально определены условия, при которых система адаптации достоверно отслеживает интервал времени с наименьшей интенсивностью (или паузой) в потоке периодически нестационарных импульсных помех.

4.4. Разработана цифровая адаптивная система защиты модуляционного радиометра от значительно превышающих собственный шум периодических импульсных и импульсных случайных с периодической нестационарностью помех. Систему защиты можно реализовать программно (на универсальных ЭВМ) или с помощью специализированных вычислителей и цифровых процессоров сигналов. В основе ее работы лежит сопутствующий процессу измерений параллельный (по N каналам) анализ временного или частотного распределения мешающих сигналов и управление законом модуляции. Приведены теоретические оценки времени поиска свободного канала. Разработана структура адаптивного радиометра с многоканальным анализатором частотного или временного распределения помех. Создан экспериментальный образец радиометра.

4.6. Разработаны две схемы радиометрических приемников модуляционного типа с системой защиты от мощных случайных импульсных помех. В обоих схемах система защиты реагирует на каждый из импульсов помехи, переключая вход приемника на эквивалент. Отличие состоит в способах обнаружения помех: в одном случае используется пороговый обнаружитель по радиоканалу, а в другом — обнаружитель после амплитудного детектора.

4.7. Разработан и экспериментально исследован лабораторный образец цифрового модуляционного радиометра с адаптивной компенсацией помех по методу наименьших квадратов. Примененный в нем способ защиты не критичен к характеру и энергетическим характеристикам помех и является эффективным средством компенсации помех в модуляционных радиометрах, работающих в той области частотного диапазона, где сосредоточены излучения от значительного числа источников. Показано, что применение адаптивной компенсации помех повышает точность измерений до предела, обусловленного собственными шумами основного и компенсационного каналов. Последнее делает целесообразным применение в РПУ радиометра малошумя-щих и сверхмалошумящих радиочастотных усилителей и смесителей. Адаптивный компенсатор помех применен в лабораторном образце радиотермометра на 2 МГц, предназначенного для контактных измерений температуры внутренних органов тела человека.

5. Решена задача электромагнитной совместимости (ЭМС) цифровой системы управления и РПУ спектрорадиометра З’А-миллиметрового диапазона длин волн. Выявлены источники взаимных (создаваемых устройствами цифровой системы управления) помех. Разработаны и применены на практике технические приемы, позволившие снизить взаимные помехи до уровня, при котором основным ограничивающим точность спектральных измерений фактором являются собственные шумы первого преобразователя частоты и следующей за ним усилительной секции. Разработанные средства борьбы с взаимными помехами методически обоснованы и применимы для решения.

255 задач обеспечения ЭМС в измерительных системах с магистральным интерфейсом ввода/вывода.

6. Исследованы способы компенсации погрешностей радиометрических измерений, обусловленные эффектами интерференции в межкаскадных соединениях при модульной структуре РПУ. Предложены технические средства компенсации интерференционных эффектов в радиометре с частотной модуляцией и методика компенсации этих эффектов при сопоставительном анализе различных спектральных линий средствами многоканального радиометра с амплитудной модуляцией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленные в диссертации материалы охватывают круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств обработки сигналов.

1) для радиометрии и зондирования состояния физических объектов по их радиоизлучению,.

2) для микроволновой радиоспектроскопии,.

3) для исследования сигналов в базовой полосе частот, а также методов и средств устранения внешних и свойственных измерительным системам факторов, оказывающих разрушающее действие на точность измерений.