Методы микроволнового зондирования, устойчивые к изменению условий измерения

СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Список используемых сокращений 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1. НЕПРЕРЫВНАЯ КАЛИБРОВКА СИСТЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ВНЕШНЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА АНТЕННУ 30
1.1. Непрерывная калибровка эффективного коэффициента усиления антенны метеорадиолокагора сантиметрового диапазона длин волн 33
1.1.1. Влияние метеофакторов на параметры антенн сантиметрового диапазона дли волн 34
1.1.2. Метод непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ 40
1.1.3. Результаты экспериментальной проверки метода непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ 49
1.2. Непрерывная калибровка контактного радиометра миллиметрового диапазона длин волн 54
1.2.1. Измерения антенной температуры одновременно с калибровкой радиометра 57
1.2.2. Выбор параметров модулятора и первичная калибровка радиометра 60
1.2.3. Точность измерения температуры 61
1.2.4. Результаты экспериментальной проверки метода измерений 62
2. СИСТЕМА АКТИВНО-ПАССИВНОГО 3011ДИРОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЫ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 68
2.1. Свойства низкопорогового коллективного оптического разряда как динамического объекта лабораторного микроволнового зондирования 70
2.1.1. Рассеивающие свойства низкопорогового коллективного оптического разряда 73
з
2.1.2. Собственное микроволновое излучение низкопорогового коллективного оптического разряда 78
2.2. Способ реализации синхронного активно-пассивного зондирования динамических объектов 84
2.2.1. Описание способа измерений 84
2.2.2. Описание лабораторной установки 88
2.3. Результаты экспериментальных исследований 90
3. ШИРОКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА МИКРОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ИМПУЛЬСНЫХ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ 100
3.1. Структура и характеристики сигналов
и адаптивного обнаружителя 105
3.1.1. Структура сигналов 105
3.1.2. Структура оптимального обнаружителя 109
3.1.3. Характеристики оптимального обнаружителя 112
3.1.4. Структура адаптивного обнаружителя 120
3.1.5. Результаты экспериментальной проверки характеристик адаптивного обнаружителя 122
3.2. Алгоритм оценки временных и частотных сдвигов сигналов фазовым методом, точность и разрешающая способность системы 125
3.2.1. Идеальный канал передачи сигнала 126
3.2.2. Канал с аддитивным гауссовым шумом 128
3.2.3. Райсовский канал передачи сигнала 133
3.2.4. Реализация разрешения по временной задержке сигналов 136
4. МНОГОПОЗИЦИОИНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ ПАССИВНАЯ СИСТЕМА ЛОКАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО ШУМА 141
4.1. Разностно-дальномерная локация области источников широкополосного шума фазовым методом 147
4
4.1.1. Алгоритм работы измерителя временных задержек шумовых сигналов 150
4.1.2. Случай большого числа источников 154
4.1.3. Измерение в присутствии аддитивного гауссова шума 156
4.2. Метод определения координат и траекторий нескольких источников шума с помощью вычисления трехмерной взаимно-корреляционной функции сигналов 161
4.2.1. Определение трехмерной взаимно-корреляционной функции
и ес свойства 165
4.2.2. Ускоренная процедура расчета трехмерных взаимно-корреляционных функций и метод оценки параметров сложных и распределенных объектов 170
5. ОДНОКАПАЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 176
5.1. Структурные схемы одноканальных микроволновых интерферометров и алгоритмы обработки интерферограмм 197
5.2. Экспериментальные исследования газодинамических процессов с помощью интерферометров мм диапазона длин волн
при одномодовом режиме зондирования 217
5.2.1. Измерение скорости движения физического маятника 217
5.2.2. Измерение скорости метаемой продуктами взрыва пластины 219
5.2.3. Измерение скорости детонации в тонком стержне взрывчатого вещества 221
5.2.4. Измерение скорости ударной и детонационной волн
в образце взрывчатого вещества 224
5.2.5. Измерение параметров движения снаряда в стволе пушки с помощью квазиоптической антенны 226
5.3. Многомодовый режим зондирования: способы разделения мод
и повышение информативности системы 237
5
5.3.1. Измерение характеристик ударно-сжимаемых диэлектрических материалов 238
5.3.2. Измерение скорости детонации и сопутствующих параметров в тонких диэлектрических цилиндрах из взрывчатого вещества 248
6. МНОГОКАНАЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 270
6.1. Измерение параметров сложного движения динамических объектов с помощью многоканального радиоинтерферометра 278
6.1.1. Анализ возможностей измерения параметров сложного движения отражающих поверхностей 278
6.1.2. Алгоритмы обработки данных многоканального интерферометра 300
6.1.2.1 Алгоритм обработки данных трехканального радиоинтерфсромстра при восстановлении движения в плоскости 301
6.1.2.2 Алгоритм обработки данных девятиканального
радио интерферометра при восстановлении объемного движения 314
6.1.3. Результаты экспериментальной проверки работы многоканального радиоинтерферометра 327
6.1.3.1. Измерение параметров сложного движения механического тестового объекта «Спираль Архимеда» 327
6.1.3.2. Измерение параметров сложного движения
в газодинамических экспериментах 338
6.2. Перспективы расширения функциональных возможностей многоканального радиоинтерферометра при зондировании
сложных динамических объектов 342
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 359
ЛИТЕРАТУРА 368
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 409
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты об использовании результатов диссертационной работы 418
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АС - антенная система
АФР - амплитудно-фазовое распределение
АФС - антенно-фидерная система
АФУ - антенно-фидерное устройство
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
БПФ — быстрое преобразование Фурье
ВВ - взрывчатое вещество
ВЗ - ременная задержка
ВКФ - взаимно-корреляционная функция
ВКФ3 - трехмерная взаимно-корреляционная функция
ВЧ - высокочастотный
ГВЗ - групповое время задержки
ДПФ - дискретное преобразование Фурье
КУ - коэффициент усиления
ЛЗ - линия задержки
ЛТР - локальное термодинамическое равновесие
МРИ - многоканальный радиоинтерферометр
МРЛ - метеорологический радиолокатор
НКОР - низкопороговый коллективный оптический разряд
ОФ - оптимальный фильтр
ПАИ - побочное акустическое излучение
РПУ - радиопрозрачное укрытие
РУ - решающее устройство
с.к.о. — среднеквадратическое отклонение
СВЧ - сверхвысокочастотный
СМЗ - система микроволнового зондирования
ЧС - частотный сдвиг
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Микроволновое зондирование является эффективным методом экспериментального исследования различных физических объектов и широко применяется на практике в дистанционном зондировании природных сред, радио- и гидролокации, имиджинговых и локационных системах малого радиуса действия, системах неразрушающего контроля, технических средствах медицинской диагностики. Основными достоинствами микроволнового зондирования являются невозмущающий характер измерений, их непрерывность, высокая производительность и потенциальная точность, а также возможность определения параметров неоднородностей прозрачных для электромагнитных или акустических воли миллиметрового и сантиметрового диапазонов сред. Этими достоинствами обусловлено активное развитие метода микроволнового зондирования в настоящее время (см., например, [40, 46, 57, 60, 61, 65]) и его широкое внедрение в практику измерений характеристик изменяющихся во времени (динамических) объектов (см., например, [8, 10, 11, 29, 35, 37, 79, 87, 137, 167, 196, 210, 296, 313, 346, 360, 368, 381, 383, 405, 406]).
В то же время при реализации потенциальных возможностей метода микроволнового зондирования во многих случаях возникают трудности, связанные с тем, что в ходе измерений наряду с изменением параметров объекта мшут существенно меняться и условия измерений (расстояние до объекта, характеристики канала распространения излучения, уровень шумов и др.). Так, например, при измерении скорости горения с помощью микроволнового интерферометра точность измерений существенно снижается из-за влияния таких факторов, как вибрация экспериментального оборудования, сжимаемость топлива, отражение от плазмы пламени, шероховатость и кривизна поверхности горения, затухание и рассеяние зондирующего излучения [95]. Наибольшие трудности возникают при зондировании динамических объектов, находящихся на малом расстоянии от
■ ' . • . • • ■ 8 . антенны системы микроволнового зондирования (СМЗ), что характерно для лабораторных исследований. При этом, компактность экспериментальных установок приводит к тому, что изменение свойств объекта (его координат, скорости, размеров и т.д.) существенно меняет и условия измерения.
Настоящая работа посвящена развитию методов микроволнового зондирования, способных эффективно работать при существенном изменении-, как свойств объекта измерения, так и условий измерения. • Рассмотрение ведется на примере актуальных прикладных задач метода микроволнового зондирования, включающих дистанционное зондирование атмосферных осадков, измерение температуры внутренних органов человека, диагностику параметров плазмы оптического пробоя, акустическую локацию источников шума, интерферометрическое измерение скоростей ударных и детонационных волн. . ..
В задаче о зондировании атмосферных осадков в диссертации решается проблема снижения энергетического потенциала СМЗ в результате изменяющегося воздействия гидрометеоров на антенну СМЗ. Применительно к медицинской радиотермометрии предложен способ устранения оишбок измерения, связанных с неконтролируемыми изменениями условий контакта между антенной и телом пациента: Разработанная в диссертации система диагностики плазмы позволяет учитывать изменение соотношения между яркостной температурой плазмы и антенной температурой радиометра. Для задач локации распределенных источников шума разработаны алгоритмы, учитывающие нестационарный характер взаимных помех от различных частей источника. Для решения традиционно сложной проблемы измерения мгновенных скоростей газодинамических процессов разработаны алгоритмы компенсации искажений интерферограмм, позволившие добиться в эксперименте предельно достижимой точности измерений.
Предложенные в диссертации методы компенсации изменения условий * измерения, основанные на сочетании непрерывной калибровки параметров измерительной, системы с инвариантными к изменяющимся параметрам
алгоритмами обработки сигналов, имеют важное значение для развития экспериментальных методов радиофизических исследований и целого ряда практических приложений техники микроволнового зондирования.
Цель исследования - разработка и экспериментальная реализация методов микроволнового зондирования, позволяющих повысить устойчивость измерительных систем в изменяющихся условиях измерений.
Для достижения поставленной цели применительно к ряду актуальных конкретных приложений в диссертации решаются следующие задачи:
1. Разработка и реализация системы непрерывной калибровки СМЗ при внешнем воздействии на се антенну.
2. Разработка способа одновременного измерения яркостной температуры, площади поперечного сечения ослабления и площади поперечного сечения рассеяния коллективного оптического разряда в атмосфере.
3. Построение алгоритмов обработки широкополосных импульсных сигналов СМЗ, устойчивых к случайным вариациям параметров канала распространения излучения.
4. Развитие метода многопозиционного пассивного зондирования на случай совокупности распределенных и множественных источников широкополосного шума.
5. Создание алгоритмов обработки сигналов микроволнового интерферометра при зондировании газодинамического процесса, развивающегося в компактной экспериментальной установке.
6. Разработка и реализация метода измерения параметров сложного движения фронта газодинамического процесса с помощью многоканального радиоинтерферометра.
Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского. Экспериментальные исследования проводились: на базе метеорологического радиолокатора МРЛ-5 Госкомгидромета СССР (г. Москва), на специально созданных экспериментальных установках в
10
лабораториях радиофизического факультета ИНГУ им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород), на экспериментальных площадках РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров). Компьютерные эксперименты проводились на базе вычислительных средств кафедры радиотехники радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
- разработан комплекс методов непрерывной калибровки СМЗ по внутренним эталонам, компенсирующий случайные вариации параметров антенны;
- разработан способ динамического измерения яркостной температуры радикально изменяющего свои размеры объекта;
- решена задача оценки характеристик оптимального обнаружителя импульсных широкополосных шумовых сигналов с известной формой зависимости дисперсии шума от времени для сигналов с различной базой;
- получены оптимальные байесовские оценки значений и погрешностей временных и частотных сдвигов однократно воспроизведенных импульсных широкополосных сигналов но среднему значению распределения апостериорной вероятности фазовым методом с учетом рассеяния в канале передачи;
- теоретически показана возможность применения пассивной фазовой разностно-дальномерной схемы зондирования для определения границ распределенного источника нестационарного широкополосного шума и ее динамики;
- разработан метод однозначного определения координат нескольких сосредоточенных источников широкополосного шума путем вычисления трехмерных взаимно-корреляционных функций сигналов разностно-дальномерной схемы зондирования;
- разработан метод одновременного измерения нескольких параметров газодинамического процесса (скорости ударной или детонационной волн, профиля фронта ударной волны, массовой скорости и показателя
преломления вещества) с помощью одноканального радиоинтерферометра в условиях многомодового распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке;
- разработан метод измерения характеристик сложного движения отражающей поверхности (суперпозиции поступательного движения, вращения и малых деформаций) с помощью радиоинтерферометра, имеющего два активных и четыре пассивных измерительных капала.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что разработанные методы позволяют:
- уменьшить ошибки измерений, связанные с внешним влиянием на антенну СМЗ;
- уменьшить ошибки измерений, связанные с динамическими изменениями параметров объекта и канала распространения зондирующего излучения;
- контролировать динамику совокупности сосредоточенных и распределенных источников шумового излучения;
- повысить информативность микроволновой интерферометрии газодинамических процессов.
Разработанные методы могут применяться в экспериментальных исследованиях газодинамических процессов, динамических свойств конструкций и материалов, в технике неразрушающего контроля, дистанционного зондирования, радио- и гидролокации, в технических средствах медицинской диагностики.
Результаты диссертационной работы были использованы в исследовательской и проектно-конструкторской деятельности ФГУ11 РФЯЦ-ВНИИЭФ и ФГУП ФППЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова при выполнении НИОКР по разработке лабораторных макетов и методик применения одноканальных и многоканальных интерферометров миллиметрового диапазона длин волн, предназначенных для измерения параметров движения газодинамических объектов, в рамках научно-технической программы
12
Росатома в 2003-2010 гг. Акты об использовании результатов диссертационной работы представлены в Приложении к диссертации.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации. Результаты диссертации получены с помощью апробированных научных методов исследования и согласуются с известными теоретическими положениями статистической радиотехники, электродинамики и общей акустики. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается данными компьютерного моделирования и экспериментальных исследований на лабораторных макетах.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработан и экспериментально реализован метод непрерывной калибровки контактного радиометра миллиметрового диапазона длин волн с отражающим модулятором и встроенным генератором шума, позволяющий измерять термодинамическую температуру диэлектрического тела с изменяющимся коэффициентом поглощения. Метод обеспечивает долговременную погрешность, близкую к флуктуационной чувствительности радиометра.
2. Разработан и экспериментально реализован способ синхронного активно-пассивного зондирования нестационарного объекта, обеспечивающий непрерывные совместные измерения параметров собственного и рассеянного излучения общим измерительным приемником с разделением сигналов по их форме. Метод позволяет измерять динамику яркосгной температуры объекта при значительных изменениях во времени размеров объекта.
3. Теоретически определены характеристики обнаружения для двух типов обнаружителей импульсных шумовых сигналов - оптимального, с известной формой огибающей, и адаптивного к форме огибающей. Показано, что эти характеристики зависят от величины базы импульсного шумового сигнала и от формы его огибающей.
13
4. Предложен алгоритм оценки значений и погрешностей временных и частотных сдвигов импульсных широкополосных сигналов фазовым методом - по среднему значению апостериорного распределения вероятностей сдвига, рассчитанному по одной реализации сигнала. Смещение оценок из-за рассеяния в канале передачи при большом отношении сигнал-шум соответствует смещению оценки максимального правдоподобия для полностью известного сигнала и существенно лучше такой оценки при неизвестной начальной фазе.
5. Предложен фазовый метод измерения временных задержек широкополосных сигналов в разностно-дальномерных системах локации, который позволяет определять границы распределенного источника нестационарного широкополосного шума и ее динамик}'. В присутствии помехи в виде аддитивного белого гауссова шума и большом отношении сигнал-шум ошибки измерения’ временной задержки- будут иметь распределение Коши.
6. Разработан метод однозначного определения координат нескольких сосредоточенных источников широкополосного шума путем вычисления трехмерных взаимио-коррсляциопных функций сигналов разностно-дальномерной схемы зондирования.
7. Разработаны алгоритмы компенсации искажений сигналов микроволнового интерферометра. Алгоритмы апробированы при обработке результатов серии газодинамических экспериментов, достигнутая при этом точность результатов близка к потенциальной.
8. Разработан и экспериментально реализован метод одновременного измерения- нескольких параметров газодинамического процесса с помощью одноканального радиоинтерферометра’ в условиях многомодового-распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке.
9. Разработан и экспериментально реализован метод измерения характеристик поступательно-вращательного движения слабодеформирую-
14
щейся отражающей поверхности с помощью многоканального радиоинтерферометра.
Апробация результатов исследования
Основные положения, и результаты' работы докладывались и обсуждались на 23 конференциях, в том числе 7 международных, 12 всероссийских и 4 региональных.
Работа выполнена в* рамках Ведущей научной школы РФ «Физика нелинейных и случайных волн в приложении к проблемам акустики и радиофизики» (НШ 3700.2010.2), в рамках научно-технической программы Росатома по госконтрактам № 0506/11-725 от 05.01.2004, № 0506/11-901 от
11.01.2005, № 0506/11-426 от 22.12:2007.
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 56 публикациях, в том числе: 16 статей в журналах, вошедших в перечень ВАК, 8 статей в других российских журналах, 2 авторских свидетельства на изобретение и 1 патент на полезную модель, 14 публикаций в трудах международных, российских и региональных конференций, 15 публикаций тезисов докладов на международных, российских и региональных конференциях. Список публикаций по теме диссертации с указанием личного вклада соискателя приведен после списка литературы в конце диссертации:
Личный вклад автора. 11 работ опубликовано соискателем без. соавторов. В остальных работах его вклад в постановку и решение задач, анализ полученных результатов и написание текста в части относящейся к теме диссертации является основным. Приведённые в диссертации результаты получены им лично.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, приложений и изложена на 417 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 406 ссылок.
15
Содержание работы
В первой главе диссертации сформулирована и решена задача непрерывной калибровки СМЗ по внутренним эталонам, компенсирующей случайные вариации параметров антенны под воздействием внешних факторов. Если в процессе динамических измерений требуется метрологически обеспеченное значение одного или нескольких параметров антенной системы, возникает проблема непрерывной калибровки этих параметров параллельно с процессом зондирования. Так, если информация об об7>ектс зондирования содержится в энергетических параметрах принимаемого сигнала, то требуется калибровка коэффициента усиления и шумовой температуры антенны, коэффициента отражения от границы антенна - окружающая среда.
В разделе 1.1 описывается способ непрерывной калибровки активной СМЗ при вариациях коэффициента усиления антенны в приложении к радиолокационному методу измерения интенсивности атмосферных осадков при воздействии дождя на радиопрозрачное укрытие метеорологического радиолокатора сантиметрового диапазона длин волн. Эти измерения относятся к области задач дистанционного зондирования природных сред. Предложенный метод прямо реализует принцип параллельной калибровки антенны СМЗ с помощью эталонной антенны с аппаратным разделением опорного и информационного сигналов. Кроме того, этот метод может быть реализован в СМЗ другого назначения для решения сходных проблем. Полученные в этом разделе результаты были использованы соискателем при защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук в 1989 году.
В разделе 1.2 рассматривается способ непрерывной калибровки контактного микроволнового радиометра с учетом эффектов рассогласования антенны с внутренним объемом зондируемого объекта в приложении к измерениям внутренней температуры живых объектов в медицине. Описанный в способ непрерывной калибровки контактного микроволнового
16
радиометра прямо реализует принцип параллельной- калибровки средства измерений со встроенными эталонами шумового радиоизлучения и коэффициента отражения путем регистрации линейной комбинации нескольких опорных и информационного сигналов с аппаратным разделением опорных сигналов по времени и разделением информационного и опорных сигналов алгоритмически. Весьма- малое характерное время модуляции встроенных эталонов позволяет применять разработанный метод для измерения внутренних температур динамических объектов с характерным временем изменения поглощательной способности и внутренней температуры до сотых долей микросекунд.
Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [2, 17, 20-23. 28, 32, 42, 43, 53, 54].
Во второй главе диссертации рассматривается СМЗ, предназначенная для динамического измерения параметров лабораторной низкотемпературной нестационарной плазмы. В процессе зондирования облако плазмы существенно изменяет свои размеры, форму и электрофизические характеристики, что приводит к существенным изменениям в соотношении между яркостной температурой плазмы и антенной температурой радиометра. Очевидно, применение внутренних эталонов в СМЗ, как это делалось в описанных в первой главе экспериментах, уже недостаточно для адекватной интерпретации измерительной информации и компенсации связанных с динамикой объекта ошибок. В силу этого обстоятельства в состав лабораторной СМЗ необходимо включать дополнительные измерительные каналы, контролирующие существенные параметры условий измерения в такой комбинации, которая позволит максимально полно учесть динамику соответствия измеряемых энергетических характеристик сигналов и физических свойств облака плазмы.
Приведено описание разработанного способа и аппаратуры синхронного активно-пассивного зондирования лабораторных динамических объектов, обеспечивающих непрерывные совместные измерения параметров
' - . ■ • • • - • • • 17
собственного и рассеянного объектом излучения. Разработанный способ измерения ■ позволяет контролировать вариации геометрических, и электрофизических параметров динамического объекта и компенсировать возникающие при этом ошибки измерения яркостной температуры объекта. При этом активный канал СМ3 выполняет роль опорного для пассивного канала. Реализованный способ зондирования позволяет формировать исследуемый динамический объект однократно и регистрировать сигналы, пропорциональные интенсивности собственного и рассеянного излучения, одним приемным устройством. Разделение сигналов.активного и пассивного каналов производится по форме принятых сигналов. Тем самым устраняется влияние неконтролируемых вариаций условий. воспроизведения динамического объекта и нестабильности измерительной аппаратуры, что в свою очередь повышает достоверность определения характеристик исследуемого объекта. ■ . •
С помощью разработанной аппаратуры были проведены эксперименты по синхронному двухчастотному активно-пассивному зондированию короткою ту щей низкотемпературной лабораторной плазмы, возникающей в облаке атмосферного' аэрозоля' под воздействием мощного лазерного импульса в виде низкопорогового • коллективного оптического разряда (11КОР).. Применение разработанного метода позволило получить оценки величин и динамики размеров и температуры ядра разряда на ранних стадиях его существования и плазменного ореола разряда на стадиях его максимального развития и релаксации. Двухчастотное зондирование НКОР позволило судить о динамике градиентов температуры ореола и электронной концентрации плазмы в области НКОР. На стадии релаксации ореола низкопорогового коллективного оптического разряда был обнаружен автоволновой процесс переноса энергии, заряда и вещества от ядра разряда к его периферии.
Получить более детальную информацию о параметрах внутреннего автоволнового процесса переноса, происходящего в плазменном ореоле, не
18
удалось из-за недостаточного количества измерительных каналов СМЗ, работающих параллельно. В связи с этим сделан вывод о том, что в соответствии с общей тенденцией развития СМЗ для повышения информативности лабораторных СМЗ динамических объектов помимо комплексирования активных и пассивных методов зондирования необходимо применять широкополосные (многочастотные) и многопозиционные системы, адаптировать общие принципы функционирования таких систем к динамически изменяющимся условиям измерения.
Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [1, 18, 29, 44-51].
В третьей главе диссертации рассматриваются широкополосные СМЗ предназначенные для обнаружения и локации источников импульсных шумовых сигналов. Известные преимущества широкополосных СМЗ определили их широкое применение в системах дистанционного зондирования поверхности земли и атмосферы, подповерхностного зондирования, лабораторных системах зондирования биологических объектов, неразрушающего контроля и технической диагностики конструкций и материалов, в системах ближнего обнаружения и позиционирования различных объектов.
Применение широкополосных СМЗ для исследования динамических объектов в лабораторных условиях имеет ряд очевидных особенностей. Во-первых, динамическое воздействие на объект исследования весьма часто имеет невоспроизводимый характер, что принципиально затрудняет выделение апостериорного распределения измеряемых параметров. 11ри этом возникает задача разработки алгоритмов получения апостериорных распределений по единственной реализации широкополосного информационного сигнала.
Во-вторых, лабораторные установки могут иметь весьма малые размеры и, как следствие, минимальные относительные временнь/е задержки информационных сигналов при зондировании объекта электромагнитными
19
волнами. При этом исключительное значение приобретают фазовые методы измерения и, как следствие, возникает проблема пространственного разрешения элементов сложного объекта зондирования. Для акустических СМЗ, в которых применение широкополосных сигналов типично, возможна реализация не только фазовых, но и корреляционных методов обработки. С другой стороны, для акустических систем типичны каналы распространения излучения с сильным рассеянием, что приводит к значительным искажениям и частичному разрушению частотно-временной структуры сигналов СМЗ. Отсюда возникает задача разработки алгоритмов получения оценок параметров объекта зондирования, устойчивых к случайным вариациям параметров канала распространения.
Третьей особенностью лабораторных СМЗ является отсутствие необходимости обработки сигналов в режиме реального времени, что позволяет реализовать весьма сложные алгоритмы обработки.
С учетом упомянутых особенностей в третьей главе диссертации представлены алгоритмы обработки широкополосных импульсных сигналов СМЗ, устойчивые к случайным вариациям параметров канала распространения излучения с рассеянием. В частности, в разделе 3.1 решена задача синтеза структуры и оценки характеристик оптимального обнаружителя импульсных широкополосных шумовых сигналов с известной формой зависимости дисперсии шума от времени для сигналов с различной информационной базой; предложена и протестирована структурная схема адаптивного обнаружителя импульсных шумовых сигналов, реализующая оптимальный алгоритм обнаружения на основе оценки характеристик выборки входного сигнала. Предложенная схема адаптивного обнаружителя позволяет контролировать такую совокупность изменяющихся параметров СМЗ, которая полностью характеризует влияние изменяющихся условий измерения на их результат. Характеристики обнаружителя определяются величиной базы импульсного шумового сигнала, т.е. произведением полосы частот шума на эффективную длительность импульса, и зависят от формы
20
его огибающей. Разработанный алгоритм адаптивного обнаружения устойчив к случайным вариациям параметров источника сигнала и рэлеевского канала распространения- излучения,, приводящим- к вариациям формы, огибающей импульсов;
В разделе 3.2 решена задача получения- оптимальных байесовских оценок значений, и погрешностей временных и частотных сдвигов-импульсных широкополосных сигналов' по среднему значению
распределения апостериорной- вероятности фазовым методом, с учетом* рассеяния в канале передачи. Структура разработанного измерителя? временных и частотных сдвигов1 импульсных широкополосных сигналов: фазовым методом инвариантна: к амплитуде, начальной- фазе и форме-огибающей- полезного сигнала, а его характеристики, инвариантны* к начальной* фазе несущего колебания полезного сигнала. Получаемые оценки состоятельные; безусловно несмещенные, асимптотически- нормальные и асимптотически эффективные. Для канала с рассеянием смещение оценки временной задержки сигнала в первом приближении соответствует смещению оценки максимального правдоподобия для известного сигнала и существенно лучше такой оценки при неизвестной начальной фазе.
Основные результаты, полученные в. этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя-[3, 4, 6, 19, 24-27, 33].
В четвертой главе диссертации рассматриваются многопозиционные широкополосные пассивные лабораторные СМЗ, предназначенные для зондирования динамических объектов, являющихся источниками нестационарного шума. Динамическими объектами лабораторного многопозитщонного зондирования электромагнитными и звуковыми волнами являются процессы распространения детонации, ударных волн, фронтов, горения и фазовых переходов вещества, кавитационный шум в жидкостях, импульсы, акустической эмиссии, широкополосный . акустический шум, сопровождающий течение экзотермических реакций в объеме активного вещества, и т.д. Локация области распределенного источника шума
21
проводится в условиях, взаимных помех от различных элементарных источников, что определяет большую дисперсию получаемых оценок. При наличии динамики области источников эти помехи имеют нестационарный характер, а получаемые оценки отражают в основном динамику взаимных помех. Специфика применения лабораторных многопозиционных СМЗ определяет необходимость разработки метода многопозиционного зондирования динамических объектов в виде распределенных или множественных источников широкополосного шума, позволяющего однозначно оценивать динамику границ области пространства, содержащей распределенный источник, и траектории нескольких дискретных источников.
В разделе 4.1 решена задача локализации границ области пространства, содержащей распределенный источник нестационарного широкополосного шума, и ес динамики пассивной разностно-дальномерной системой зондирования малого радиуса действия фазовым методом. Особенности применения этого метода локации рассмотрена на примере СМЗ, предназначенной для диагностики физических и химических процессов разрушения структуры вещества по исходящему акустическому излучению. В объектах такого рода область пространства, в которой имеет место исследуемый процесс (например, горение под давлением), является распределенным источником широкополосного шумового акустического излучения. Проблема применения фазового метода состоит в том, что сигнал является некоррелированным шумом и, таким образом, по своим статистическим свойствам одна часть реализации сигнала неотличима от любой другой.
Структурная схема измерителя временных задержек аналогична рассмотренной в третьей главе диссертации. При этом каждый измерительный пун кг многопозиционной системы принимает сигналы от большого числа элементарных источников. Показано, что фазовым измерителем определяется задержка, соответствующая изменившемуся за время анализа участку границы области распределенного источника или
центру тяжести этой области, если состав элементарных источников не изменился. В присутствии помехи в виде аддитивного белого гауссова шума и большом отношении сигнал-шум, ошибки измерения задержки будут иметь распределение Коши, а в отсутствие полезного сигнала - равномерное на интервале анализа распределение. Таким образом, показана возможность применения фазового метода измерения временных задержек широкополосных сигналов в разностно-дальномерных системах локации распределенных источников. С одной стороны, наличие низкочастотных компонент в спектре шумового сигнала позволяет избавиться от присущей фазовому методу неоднозначности отсчетов временных задержек, с другой стороны, наличие высокочастотных спектральных компонент обеспечивает высокую точность измерения временных задержек. Присущее фазовому методу отсутствие разрешающей способности по временным задержкам, как оказывается, не является препятствием для локализации распределенных источников широкополосного шума, занимающих определенную область зондируемого пространства. Кроме того, показана возможность классификации и раздельной локализации источников широкополосного шума, соответствующих распределенным низкоэнергетическим процессам и локализованным в пространстве и времени высокоэнергетическим событиям в исследуемом объекте.
В разделе 4.2 разработан метод локализации нескольких источников широкополосного шума путем вычисления трехмерных взаимнокорреляционных функций сигналов многоканальной пассивной СМЗ с когерентной обработкой сигналов, исключающий неоднозначность в определении координат источников. Дано определение и исследованы основные свойства трехмерной взаимно-корреляционной функции сигналов многопозиционной СМЗ. Показано, что трехмерная взаимно-корреляционная функция не имеет побочных максимумов высокого уровня в областях локализации ложных целей, появление которых присуще любым многопозиционным системам при зондировании сложных и распределенных
23
объектов. На основе этого свойства трехмерной взаимно-корреляционной функции разрешена проблема неоднозначности интерпретации результатов измерения временных задержек многопозиционными системами без привлечения дополнительной измерительной или априорной информации.
Разработанные в четвертой главе диссертации методы в своей совокупности позволяют контролировать динамику системы множественных и распределенных источников шумового излучения многопозиционными СМЗ на основе относительных фазовых или корреляционных измерений, когда в качестве опорных сигналов используются информационные сигналы различных измерительных пунктов измерительной системы.
Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [7, 13, 14, 16].
В пятой главе диссертации рассматриваются методы, аппаратура и алгоритмы обработки данных лабораторных экспериментов по одноканальной микроволновой интерферометрии газодинамических процессов. Проводится сравнение известных структурных схем одноканальных микроволновых интерферометров и соответствующих этим схемам алгоритмов обработки интерферограмм. Описываются методики и приводятся результаты типичных газодинамических экспериментов с применением радиоинтерферометров. Выделяются два основных типа такого рода экспериментов: с одномодовым и многомодовым режимом
распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке. Рассматриваются причины и проявления детерминированных искажений структуры сигналов СМЗ в каналах распространения излучения с динамически изменяющимися характеристиками, в том числе с регулярной конкуренцией нескольких пространственных мод (лучей). Рассматриваются примеры частотного и пространственного разделения мод, а также случаи, когда разделение мод невозможно. Поставлена и решена задача разработки алгоритмов обработки интерферограмм одноканальных систем с
24
динамически изменяющимися характеристиками каналов распространения излучения, в том числе с многомодовым механизмом распространения.
В пятой главе диссертации получены следующие результаты. Разработаны алгоритмы обработки сигналов одноканального микроволнового интерферометра, позволяющие компенсировать влияния сопутствующих переменных параметров сигналов, связанных с воздействием исследуемого динамического объекта на условия зондирования, на точность оценок характеристик движения исследуемых объектов. К числу таких параметров относятся: значительное изменение амплитуд принятых
сигналов, связанное с радикальным изменением расстояния между зондирующим устройством и объектом зондирования, низкочастотный тренд принятых сигналов, связанный с изменяющимися в процессе измерений условиями согласования зондирующего устройства с объектом зондирования, разрушение квадратуры ортогональных компонент принятого сигнала, связанное с принципиально неустранимым рассогласованием зондирующего устройства с объектом зондирования, наличие кратных гармоник в спектре принятого сигнала, связанное с многократным отражением зондирующего излучения от объекта и зондирующего устройства, а также с нелинейными искажениями сигнала в приемном устройстве СМЗ.
Разработаны алгоритмы обработки сигналов одноканального микроволнового интерферометра с многомодовым механизмом
распространения излучения, позволяющие компенсировать
детерминированные искажение информационной структуры сигналов СМЗ в каналах с регулярной конкуренцией нескольких пространственных мод (лучей) в канале распространения зондирующего излучения.
Разработан метод получения совместных оценок нескольких
параметров динамических объектов и их погрешностей с помощью одноканального радиоинтерферометра при многомодовом характере распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке.
25
Повышена информативность одноканальных интерферометров при
зондировании динамического объекта через многомодовый канал
распространения излучения. К числу одновременно оцениваемых параметров исследуемых газодинамических процессов относятся: массовая скорость и скорость ударных волн, диэлектрическая проницаемость ударно-сжагого вещества и профиль показателя преломления вещества за фронтом ударной
волны в экспериментах по изучению процессов ударного сжатия
диэлектрических материалов; скорость распространения детонации,
диэлектрическая проницаемость вещества и коэффициент взаимной корреляции этих параметров в экспериментах по изучению распространения детонации в образцах взрывчатых веществ.
Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [5, 8, 9, 11, 12, 34-40, 55, 56].
В шестой главе диссертации рассматриваются метода, аппаратура и алгоритмы обработки данных лабораторных экспериментов по многоканальной микроволновой интерферометрии газодинамических процессов. Многоканальная микроволновая интерферометрия применяется для измерения параметров сложного движения фронтов газодинамических процессов, включая поступательное движение, поворот и малую деформацию. Все известные методы построения радиоизображений с помощью многоканальных систем можно разделить на два основных класса: построение двумерных изображений с помощью антенных решеток и радиоиитерферометров, и построение трехмерных изображений с помощью радиоголографических методов. С точки зрения задачи восстановления двумерного поля перемещений газодинамических процессов могут быть использованы оба варианта. При измерении двумерных радиоизображений исследуемых объектов иоле перемещений может быть восстановлено по результатам измерения доплеровского сдвига частот, а стало быть, радиальной скорости каждого элемента двумерного изображения. При регистрации радиоголограмм, т.е. трехмерных изображений, поле
• 26
перемещений получается путем вычитания продольных координат двух трехмерных образов, зарегистрированных в два близких момента времени. Оба подхода применяются для решения задачи восстановления- поля перемещений объектов различной природы. Проведенный сравнительный анализ известных методов восстановления поля перемещений1 показал преимущества метода многоканальной радиоинтерферометрии сложных динамических объектов с точки зрения сложности реализации измерительной аппаратуры и алгоритмов обработки сигналов.
В разделе 6.1 диссертации решена задача разработки лабораторного метода многоканального (многопозиционного) активного зондирования сложных газодинамических объектов, аппаратуры для его реализации и алгоритмов обработки многоканальных интерферограмм. Разработанный метод позволяет проводить измерения параметров 'сложного движения динамических объектов, в том числе фронтов газодинамических процессов, включая поступательное движение, поворот и малые деформации поверхности, с помощью многоканального микроволнового интерферометра.
Проверка метрологических характеристик макета трехканального интерферометра 3-х мм диапазона длин волн в эксперименте по измерению-параметров сложного движения механического тестового объекта «Спираль Архимеда» показала, что разработанная методика оценки параметров сложного движения динамических объектов в целом дает адекватные результаты. Поступательное движение- . тестовой поверхности восстанавливается по данным интерферометра с хорошей точностью: систематическая ошибка перемещения лежит в пределах ± 0.25 мм. Форма восстановленных поверхностей близка к правильной и сохраняется на всех дистанциях до объекта. Несмотря на то, что погрешности определения поперечных координат точек отражения велики (до 4 мм), эти ошибки не сказываются на форме восстановленных поверхностей. Интерферометр правильно фиксирует изменение радиуса кривизны и наклона отражающей поверхности.
27
Результаты проверки работоспособности макета многоканального интерферометра и реализованного в нем метода измерений в тестовых газодинамических экспериментах по измерению параметров сложного движения метаемой продуктами взрыва стальной пластины и измерению динамики фронта детонационной волны в образце диэлектрического взрывчатого вещества показали способность прибора получать качественные и количественные данные о динамике формы газодинамических объектов.
В разделе 6.2 определены перспективные направления расширения функциональных возможностей многоканального радиоинтерферометра-радиометра при зондировании сложных газодинамических объектов. Во-первых, это оценка статистических характеристик случайно-неоднородных поверхностей границ раздела сред, находящихся под ударным воздействием. Во-вторых, это повышение точности оценок комплексной диэлектрической проницаемости вещества, участвующего в газодинамическом процессе. В-третьих, это оценка термодинамических параметров реагирующего вещества: его температуры и давления.
Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [10, 15, 30, 31, 41].
В Заключении к диссертации сформулированы основные выводы и результаты, полученные в работе.
1. Предложен и реализован способ непрерывной калибровки метеорологического радиолокатора сантиметрового диапазона длин волн при вариациях коэффициента усиления его антенны с учетом поглощения и отражения излучения от поверхности радиопрозрачного укрытия, находящегося под воздействием дождя.
2. Разработан метод непрерывной калибровки контактного радиометра миллиметрового диапазона длин воли с отражающим модулятором и встроенным генератором шума, обеспечивающий измерение термодинамической температуры диэлектрического тела с произвольно изменяющимся коэффициентом поглощения.
28
3. Предложен способ и разработана аппаратура синхронного активно-пассивного зондирования динамических объектов в лабораторных условиях, обеспечивающие непрерывные совместные измерения параметров собственного и рассеянного объектом излучения. Разработанный способ измерения позволяет контролировать вариации геометрических и электрофизических параметров динамического объекта и компенсировать возникающие при этом ошибки измерения температуры объекта.
4. Синтезирована структура и получены оценки характеристик оптимального обнаружителя импульсных широкополосных шумовых сигналов с известной формой зависимости дисперсии шума от времени для сигналов с различной информационной базой. Предложена и протестирована структурная схема адаптивного обнаружителя импульсных шумовых сигналов, реализующая оптимальный алгоритм обнаружения на основе оценки характеристик выборки входного сигнала.
5. Решена задача получения оптимальных байесовских оценок значений и по1решностей временных и частотных сдвигов импульсных широкополосных сигналов по среднему значению распределения апостериорной вероятности фазовым методом с учетом рассеяния в канале передачи. Для канала' с рассеянием смещение оценки временной задержки сигнала при большом отношении сигнал-шум рассеяния соответствует смещению оценки максимального правдоподобия для известного сигнала и существенно лучше такой оценки при неизвестной начальной фазе.
6. Разработаны методы многопозиционного пассивного зондирования динамических объектов в виде распределенных и множественных источников широкополосного шума на основе относительных измерений применительно к специфике лабораторных исследований. Разработанные методы в своей совокупности позволяют контролировать динамику системы множественных и распределенных источников шумового излучения.
7. Разработаны алгоритмы обработки сигналов микроволновых интерферометров, позволяющие компенсировать влияния сопутствующих
29
переменных параметров сигналов, связанных с воздействием исследуемого динамического объекта на условия зондирования, на точность оценок характеристик движения исследуемых объектов.
8. Реализованы алгоритмы обработки сигналов микроволновых интерферометров с многомодовым.механизмом распространения излучения в экспериментальной установке, позволяющие компенсировать детерминированные искажение информационной структуры сигналов СМЗ в каналах с регулярной конкуренцией нескольких пространственных мод (лучей) в канале распространения зондирующего излучения. Разработан метод получения совместных оценок нескольких параметров динамических объектов и их погрешностей с помощью одноканального радиоинтерферометра при многомодовом характере распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке.
9. Разработан и апробирован лабораторный метод многоканального (многопозициониого) активного зондирования сложных газодинамических объектов, позволяющий реализовать измерения параметров сложного движения динамических объектов, в том числе фронтов газодинамических процессов, включая поступательное движение, поворот и малые деформации поверхности, с помощью многоканального микроволнового интерферометра.
10. Определены перспективные направления расширения функциональных возможностей многоканального радиоинтерферометра-радиометра миллиметрового диапазона длин волн при зондировании сложных газодинамических объектов.
Делается вывод о том, что описанные в работе методы микроволнового зондирования позволяют компенсировать ошибки измерений, связанные с постоянно изменяющимися условиями зондирования. Полученные в работе результаты являются экспериментальным подтверждением этого утверждения, и, таким образом, можно констатировать, что поставленная в работе цель достигнута.
1. НЕПРЕРЫВНАЯ КАЛИБРОВКА СИСТЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ВНЕШНЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА АНТЕННУ
Для СМЗ, у которых антенная система (зондирующее устройство) расположена очень близко или находится в непосредственном контакте с объектом зондирования, весьма характерен случай, когда динамический процесс, протекающий в исследуемом объекте, охватывает область пространства в непосредственной близости- от антенны СМЗ и, очевидно, влияет на ес параметры. Если в процессе измерений требуется метрологически обеспеченное значение одного из параметров антенной системы, возникает проблема непрерывной калибровки этого параметра параллельно' с процессом зондирования. Так, если информация об- объекте зондирования' содержится в энергетических параметрах принимаемого-сигнала, то требуется калибровка коэффициента усиления антенны, коэффициента отражения от границы антенна — окружающая среда и шумовой температуры антенны. Процедура такой калибровки должна удовлетворять нескольким очевидным требованиям, перечисленным ниже.
В< присутствии динамических изменений условий взаимодействия антенны. СМЗ с объектом зондирования для сохранения непрерывности измерений'информационных параметров канал калибровки должен работать параллельно (одновременно) с измерительными каналами СМЗ.
Независимый канал калибровки (опорный канал)' СМЗ1 должен содержать меру контролируемого параметра антенной системы, свободную от влияния со стороны исследуемого объекта. Для исключения-дополнительных ошибок оценки информационных параметров желательно, чтобы остальные элементы информационного и опорного каналов были идентичны, то есть мера и контролируемое устройство должны быть включены в общую схему измерений. Для разделения воспроизводимого мерой опорного и информационного сигналов следует использовать общее приемное устройство, обеспечивающее разделение сигналов аппаратно или
31
алгоритмически по одному из признаков: по пространственной структуре излучения, по времени, частоте, форме, амплитуде или фазе сигналов.
В ряде случаев возможна прямая реализация этих требований в схеме зондирования. В первой главе диссертации приведены примеры решения такого рода задач: это способ непрерывной калибровки активной СМЗ при вариациях коэффициента усиления антенны с учетом поглощения и отражения излучения от поверхности радиопрозрачного укрытия, находящегося под внешним динамическим воздействием, и способ непрерывной калибровки контактного микроволнового радиометра с учетом эффектов рассогласования антенны с внутренним объемом зондируемого объекта.
Первая задача рассматривается в разделе 1.1 в приложении к радиолокационному методу измерения интенсивности атмосферных осадков при воздействии дождя на радиопрозрачное укрытие метеорологического радиолокатора сантиметрового диапазона длин воли. Эти измерения относятся к области задач дистанционного зондирования природных сред. Кроме того, предложенный метод может быть реализован в лабораторных системах другого назначения для решения сходных проблем.
Вторая задача прямо относится к измерениям внутренней температуры живых объектов в медицине. Описанный в разделе 1.2 способ непрерывной калибровки контактного микроволнового радиометра прямо реализует принцип параллельной калибровки средства измерений со встроенными эталонами шумового радиоизлучения и коэффициента отражения путем регистрации линейной комбинации нескольких опорных и информационного сигналов с аппаратным разделением опорных сигналов по времени и разделением информационного и опорных сигналов алгоритмически. Весьма малое характерное время модуляции встроенных эталонов позволяет применять разработанный метод для измерения внутренних температур динамических объектов с характерным временем изменения поглощательной способности и внутренней температуры до сотых долей микросекунд.
32
В тех случаях, когда изменение условий зондирования проявляется на некотором удалении от средства измерения, например, в изменении условий распространения зондирующего излучения или изменении условий взаимодействия излучения с объектом зондирования, применение встроенных эталонов не обеспечивает идентичности измерительного и опорного каналов. В такой ситуации необходимо применять дополнительные измерительные каналы в СМЗ и относительные методы измерений, когда различные составляющие информационных сигналов играют роль опорных сигналов по отношению друг к другу. 11ри этом выбранный метод измерения должен, во-первых, нести информацию обо всей совокупности измеряемых параметрах исследуемого объекта, и, во-вторых, обеспечивать идентичность информационного и опорного каналов по отношению к совокупности изменяющихся неинформационных параметров системы, полностью характеризующей влияние изменяющихся условии измерения на их результат. Разработке методов измерения такого рода в приложении к ряду актуальных задач микроволнового зондирования объектов в изменяющихся условиях измерения посвящены последующие главы диссертации.
33
1.1. Непрерывная калибровка эффективного коэффициента усиления антенны метеорадиолокатора сантиметрового диапазона длин волн
Одним из актуальных приложений активных радиолокационных систем сантиметрового диапазона длин волн является радиолокационная метеорология. Типичными- задачами радиолокационной метеорологии являются дистанционные измерения количества осадков, штормооповещение и обнаружение градоопасных образований. При решении этих задач используются количественные измерения радиолокационных параметров метеообъектов, в первую очередь радиолокационной отражаемости, а основным средством измерения является метеорадиолокатор (МРЛ). Способность • МРЛ измерять радиолокационную отражаемость характеризуется его энергетическим потенциалом. •
Существуют прямые и косвенные способы калибровки энергетического потенциала МРЛ, однако все они не лишены некоторых недостатков. Так прямые методы не оперативны и не позволяют контролировать кратковременные вариации потенциала радиолокатора, а существующие косвенные методы не охватывают антенную систему (АС) МРЛ, параметры которой непосредственно' входят в соотношение,, определяющее энергетический потенциал. Тот факт, что АС не охватывается контролем,, объясняется сильной зависимостью точности определения параметров АС от условий: распространения^ радиоволн на трассе измерений. В отсутствие контроля параметры антенн традиционно считаются неизменными в процессе эксплуатации, а так как первоначально они определяются с высокой точностью, то их вклад в суммарную погрешность определения радиолокационной отражаемости предполагается малым. Однако еще в начале 60-х годов прошлого века было установлено, что параметры антенн сантиметрового диапазона сильно меняются при воздействии на них гидрометеоров. Как показали исследования, наиболее сильные вариации претерпевает коэффициент полезного действия и связанный с - ним
коэффициент усиления (КУ)' антенн при воздействии на них дождя. Особенно сильно влияние дождя, на антенны, защищенные обтекателями (радиопрозрачными укрытиями — РПУ).
В настоящее время потребности в, радиолокационной информации о метеообъектах, постоянно возрастают. Причем, в первую очередь повышаются требования к качеству и достоверности этой информации. Так как воздействие метеофакторо в», на АС МРЛ приводит к значительным ошибкам измерений, а сама специфика их применения предполагает частую возможность работы, радиолокатора'иод дождем, возникает необходимость проведения непрерывной, калибровки параметров АС МРЛ: К сожалению, реальные позиции радиолокаторов далеко . не всегда- удовлетворяют требованиям; предъявляемым к полигонам, для/ антенных измерений, а повышение точности таких измерений в реальных условиях распространения радиоволн1 достигается- с помощью очены сложных технических средств, применение которых в оперативной практике невозможно. В связи с этим разработка простого и надежного способа непрерывного контроля параметров АС и создание методики коррекции радиолокационной информации об осадках с учетом вариаций параметров, антенн под воздействием« дождя, является решением проблемы- повышения достоверности получаемой с помощью МРЛ информации.
1.1.1. Влияние метеофакторов' на. параметры антенн сантиметрового диапазона дли волн
До середины 60-х годов при разработке АС принималось во внимание влияние внешних факторов на конструктивные элементы антенн [221]. Однако еще в начале 60-х годов прошлого столетия было установлено, что параметры- антенн сантиметрового« диапазона сильно изменяются при воздействии на них гидрометеоров. Слои сухих твердых осадков (снег, лед, иней) из-за малых значений- потерь и показателя преломления- вызывают
35
незначительное ухудшение параметров антенн как с радиопрозрачными укрытиями [283], так и незащищенных [238]. Для большинства встречающихся на АС слоев твердых осадков потери энергетического потенциала не превышают 1 дБ. При наличии мокрого снега или таянии намерзших слоев инея и льда на рефлекторах открытых антенн, потери за короткое время заметно увеличиваются. Но при положительных температурах сцепление слоев твердых осадков с металлическими поверхностями ослабевает, и при достижении уровней потерь 2-3 дБ происходит обрушение подтаявшего снега [238].
Жесткие антенные обтекатели вообще слабо подвержены обледенению, обмерзанию и образованию инея. Обычно снег ложится на них сверху шапкой, которая имеет постоянную форму на протяжении всей зимы. При положительных температурах таяние снега вызывает сильное ослабление сигнала при углах места антенны, близких к вертикальным. По имеющимся данным такое ослабление для МРЛ может достигать 3-5 дБ в одну сторону. При определенных условиях возможно налипание мокрого снега на боковую поверхность РГТУ, однако, по данным [221] в наиболее неблагоприятных районах мира такие условия реализуются не более 12-15 часов в месяц.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что влияние дождя на антенны может быть значительным, особенно для антенн с РПУ [259, 294, 343]. Лучшая устойчивость незащищенных зеркальных антенн связана с тем, что слои воды на рефлекторе антенны эффективно отражает радиоволны, причем, коэффициент отражения почти не зависит от толщины слоя, а наличие дождевых капель в области между облучателем и зеркалом не вызывает значительного ослабления электромагнитного поля при любых реальных интенсивностях осадков. Образование слоя воды на поверхности РПУ вызывает сильное о гражение и поглощение радиоволн, что приводит к значительным потерям КУ АС. Аналогичные эффекты возможны при попадании влаги на диэлектрические изолирующие заглушки облучателей незащищенных антенн.
36
Таким образом, при воздействии гидрометеоров резко ухудшают свои свойства именно АС с РГГУ, причем наиболее сильное влияние на параметры обтекателей оказывает дождь. Ослабление сигнала в слое воды легко вычислить с помощью известных соотношений оптики, однако определение структуры потока стекающей по поверхности РГГУ воды во время дождя оказалось непростой задачей.
Первой попыткой учесть влияние дождя на эффективность работы АС с РПУ является работа Гиббла [327]. Здесь получено соотношение, связывающее толщину пленки воды (/?) на поверхности сферического укрытия с интенсивностью дождя (/) и радиусом укрытия (а) в приближении ламинарной структуры потока. Получено, что толщина пленки одинакова на всей верхней полусфере РПУ и равна
к = (1.5//о//р#)1/3 или к[мм] = 0.035(1[мм/ч]а[м])1П, (1.1.1)
где р - динамическая вязкость воды, р - плотность воды, g - ускорение свободного падения.
В работе [294] Блевис на основании соотношения (1.1.1) нашел, что ослабление сигнала в пленке воды может быть значительным, используя для расчетов коэффициенты пропускания и отражения для плоского слоя воды. В работе [375] Руз решил более строгую задачу для двойного слоя диэлектрик -вода. Результаты Руза подтвердили большое значение ослабления, полученные в [294]. Кроме того в [375] рассматривался набег фаз в распределении поля по эффективной апертуре из-за наличия пленки воды.
В качестве альтернативы модели Гиббла в работе [298] Мэем было предложено иное соотношение между толщиной пленки воды и интенсивностью осадков, основанное на турбулентной модели структуры потока. При этом
1г[мм] = 0.0045(/[лш / ч] а[м])7П2 (1.1.2)
и имеет значительно меньшие значения по сравнению с формулой (1.1.1) для одинаковых интенсивностей дождя.
" 37
Кроме упомянутых моделей образования слоя воды на поверхности сферического укрытия в работе [302] было выдвинуто предположение о том, что сплошная пленка воды образуется на поверхности РПУ крайне редко, а вода в большинстве случаев^ стекает отдельными. . ручьями. Даже качественное рассмотрение такой модели давало пренебрежимо малые значения ослабления в РПУ .при любых реально встречающихся.1 интенсивностях осадков. В монографии [94] приводятся различные методы расчета диаграммы направленности системы антенна - РПУ и приведен анализ влияния метеофакторов на электрические параметры РПУ на основе всех трех упомянутых моделей слоя воды.
В связи с возникшей неопределенностью в подходе к модели образования водяной пленки и большой практической значимостью вопроса были проведены многочисленные эксперименты с использованием различных методов и техники на длинах волн от 10 до 1.5 см. Впервые такими исследованиями занимались специалисты по спутниковой связи. В 1963-64 годах Гайгер [328] проводил измерения ослабления сигналов внеземных радиоисточников на станции спутниковой связи в Андовере. Надувной обтекатель имел диаметр 64 м, рабочая длина волны - 7.5 см. Мощная техническая база позволила провести очень точные измерения при интенсивности осадков до 10' мм/ч. При такой интенсивности осадков ослабление оказалось равно 3.5 дБ, что хорошо согласуется с моделью Гиббла (3.1 дБ); ;
Однако в 1965 году Кохен и Смольский [302] подвергли критике эти результаты на том основании, что обтекатель в Андовере был надувной, и поэтому вода, стекая по швам оболочки, образовывала периодическую структуру. Авторы показали, что в этом случае определяющую роль в ослаблении сигнала должен был играть дифракционный эффект на такой структуре и промокание ткани оболочки. Свой собственный эксперимент они провели на макете 16.5 метрового обтекателя с жесткими стенками на длине волны 7.2 см. С помощью поливного устройства они имитировали осадки с
38
интенсивностью до 40 мм/ч и получили значения ослабления не более 1.7 дБ. Этот результат совпадает с вычислениями по модели Мэя. Малую величину ослабления можно объяснить тем, что используемое в эксперименте РГГУ не эксплуатировалось в реальных условиях, и его поверхность обладала хорошими водоотталкивающими свойствами.
В 1972-74 годах Андерсон [283] провел измерения ослабления сигнала с длиной волны 1.5 см в пленке воды на модели 64-метрового обтекателя. Продолжительность эксперимента позволила ему установить, что водоотталкивающие свойства поверхности РГ1У, благодаря которым ослабление сигнала остается малым при любых интенсивностях осадков, быстро теряются со временем из-за загрязнения. Если в начале эксперимента вода стекала по поверхности обтекателя отдельными ручьями на протяжении всего дождя, то уже через полгода однородная пленка воды на РГГУ образовывалась в первые минуты дождя. При этом полученная зависимость средних значений ослабления сигнала от интенсивности осадков хорошо описывалась моделью Гиббла до интенсивностей 10 мм/ч. При дальнейшем увеличении интенсивности дождя ослабление сигнала росло значительно медленнее, чем предполагала модель Гиббла. Для объяснения этих эффектов Андерсон привлекает тот факт, что толщина пленки воды на поверхности РПУ меняется значительно более медленно, чем интенсивность осадков, и усредняет по времени их воздействие. Таким образом, сильные дожди, обычно непродолжительные, не дают большого вклада в ослабление сигнала.
Неопределенность в теоретическом определении модели потока подтверждается противоречивостью экспериментальных данных, полученных различными авторами, что вызывает дискуссию среди специалистов по спутниковой связи, занимающихся этим вопросом [301].
Результаты исследований, проводимых на метеорадиолокаторах, дают ente более противоречивые результаты. Эго связано с тем, что исследователи, в основном, определяли ослабление сигнала в пленке воды по косвенным измерениям. В 1976 году Хадлоу и другие [332] при сравнении результатов
. . ' . • • 39
измерения количества осадков с помощью радиолокатора и сети плювиографов использовали ■ модель Гиббла. Полученные значения ослабления сигналов оказались меньше необходимых для совпадения данных радиолокатора и плювиографов. В 1978 году Вильсон [402] исследовал ослабление сигнала в пленке воды путем измерения радиолокационной отражаемости горы, расположенной в 30 км от позиции локатора, и нашел, что при интенсивности осадков до 20 мм/ч двустороннее ослабление сигнала не превышает 1 дБ на длине волны 5 см. В работе [343] Кодаира приводит результаты прямых измерений на длине волны 7.5 см для РПУ диаметром 70; и 18 м, из которых видно, что модель Гиббла дает завышенный на 1-2 дБ результат. Так ДЛЯ' большого РПУ при интенсивности осадков 10 мм/ч, вычисленное по Гибблу ослабление составило 4.1 дБ, а измеренное — 3.5 дБ. Для малого РПУ вычисленное ослабление равно 1.9 дБ, а измеренное - 1.0; дБ. В 1980 году в Центральной аэрологической обсерватории Колосков [130] проводил • эксперименты по учету влияния дождя на. работу
метеорадиолокатора МРЛ-2, работающего на длине волны 3.2 . см и имеющего РПУ диаметром 4.6 м. Им была найдена экспериментальная зависимость среднего значения. ослабления сигнала в пленке воды от интенсивности осадков, выпадающих на позиции МРЛ. Полученная зависимость хорошо согласуется с моделью Гиббла, однако в следующем месяце радиолокационные данные, скорректированные по такой методике, оказались заниженными по сравнению с наземными. В работе Берюлева и других [36] приводятся некоторые результаты прямых измерений ослабления излучаемой мощности двухволнового метеорадиолокатора МРЛ-5 в зависимости от интенсивности выпадающих на комплекс осадков. Дожди с интенсивностью до 25 мм/ч вызывали одностороннее ослабление- сигнала в РПУ до 5 дБ на длине волны 3.2 см и до 2 дБ на длине волны 10 см.
Полученные данные показывают, что в различных случаях одинаковым интенсивностям осадков соответствуют различные значения ослабления (рис. 1.1, где 1-[328], 2-[302], 3-[283], 4-[402], 5-[343], 6-[36]).
о
1
2
40
4
. ш -0.8 -1.2 -1.6 -2.0 • -2.4
Рис. 1.1. Теоретические и экспериментальные данные о толщине пленки воды
на поверхности РПУ под дождем
Можно заключить, что структура стекающего по поверхности РПУ потока воды определяется его индивидуальными гидрофобными свойствами, продолжительностью дождя и степенью загрязнения поверхности РПУ. Неоднозначность связи ослабления сигнала в пленке воды с интенсивностью выпадающих на позиции радиолокатора осадков требует применения непрерывной калибровки коэффициента усиления антенны МРЛ во время дождя на ее позиции.
1.1.2. Метод непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ
Существующие методы калибровки потенциала МРЛ с учетом АС основаны на использовании вынесенной в дальнюю зону антенны эталонной активной или пассивной цели. В качестве пассивной цели часто используется металлическая сфера, поднимаемая на воздух шаром-зондом [228]. К недостаткам этого метода .следует отнести его неоперативность и необходимость ручного сопровождения перемещающейся цели с помощью неприспособленного для этого метеорадиолокатора. Использование