РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ РАССЕЯНИЯ ВОЛН НА ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННО СОЗДАННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЯХ АТМОСФЕРЫ
Для того, чтобы изучать зондирующие сигналы систем РАЗ и АЗ теоретическим путем требуется создать адекватные конструктивные модели рассеяния волн на объектах, используемых при радиоакустическом и акустическом зондировании атмосферы. В данном разделе разработаны корреляционная и структурная модели. Первая описывает рассеяние электромагнитной волны на звуке, вторая - рассеяние акустической (или электромагнитной) волн на естественных турбулентных неоднородностях среды.
Основные результаты раздела опубликованы в работах [139, 272, 275- 277].
2.1. Требования к моделям и постановка задачи
В соответствии с современными представлениями теории измерительных радиосистем локационная цель (зондируемый, исследуемый объект) рассматривается как элемент информационного локационного канала и представляется некоторым детерминированным или стохастическим оператором рассеяния, отображающим пространство параметров падающей на цель волны в пространство параметров отраженной волны. Существенная и важная часть задач теории систем связана именно с конструктивным математическим описанием процесса формирования наблюдаемого поля, адекватно отображающим механизмы распространения и рассеяния волн в существующих информационных локационных каналах. Поэтому, учитывая имеющуюся априорную информацию о каналах радиоакустических и акустических систем, необходимо создать математические модели уравнений наблюдения, используемые далее на этапах оптимизации зондирующих сигналов, синтеза алгоритмов обработки и анализа получаемых сигналов.
Разрабатываемые модели должны быть адекватны отображаемым в них процессам, но не должны быть слишком сложными. Заметим, что в основе выбора моделей всегда лежат некоторые идеализации и допущения, направленные на достижение разумного компромисса между стремлением отразить в модели все многообразие реальных условий работы системы, с одной стороны, и стремлением получить не сложный конструктивный "заместитель" объекта, с другой, с целью использования его в последующих исследованиях для получения новых сведений об изучаемом объекте. Выбор модели, это всегда выбор "между болотом переусложнения и западней переупрощения".
Существующие методы анализа рассеяния волн на неоднородностях атмосферы предполагают, как правило, строгое решение радиофизической задачи, исходя из уравнений Максвелла, вследствие чего являются достаточно сложными и громоздкими. Поскольку определение вида и характеристик рассеянного сигнала в задачах зондирования атмосферы акустическими и электромагнитными волнами при использовании известных подходов сопряжено с решением достаточно сложных волновых задач, то это требует специальной подготовки, значительных затрат времени и не всегда приводит к физически прозрачным результатам [12].
Для разработчиков систем зондирования атмосферы при решении задач анализа и синтеза зондирующих сигналов, синтеза оптимальных алгоритмов приема, оценки точностных характеристик системы целесообразно иметь более простой и физически наглядный модельный подход, основанный на понятиях и процедурах, используемых в теории систем, и воспроизводящий характерные особенности процесса рассеяния и принимаемого сигнала. Модели должны быть гибкими, конструктивными, предоставлять возможность всестороннего исследования свойств изучаемых объектов и процессов, как аналитическим путем, так и численно с использованием ЭВМ, в частности, методом статистического моделирования.
В настоящее время не существует строгих логических и математических методов построения и контроля моделей [270, 271]. Разработка модели - творческий неформальный акт, в котором реализуются опыт, догадка, интуиция, основанные на глубоком неформальном понимании особенностей изучаемых объектов и процессов.
Таким образом, требуется разработка адекватных конструктивных моделей, отображающих наиболее характерные свойства рассматриваемых рассеивающих объектов и имеющих "системную, инженерную" целевую ориентацию, т. е. предназначенных для использования при решении задач, связанных с исследованием зондирующих сигналов, построением алгоритмов обработки принимаемых колебаний и т. д.
При построении теории зондирующих сигналов систем РАЗ и АЗ (или основ теории таких систем в целом) целесообразно использовать методологический подход, получивший значительное распространение в системотехнике и смежных с ней науках [268, 269]. Суть системотехнического подхода состоит в построении продуктивных конструктивных моделей изучаемых объектов и процессов, разработке методов исследования с их использованием и получении новых сведений об изучаемых объектах путем реализации этих методов на практике. Таким образом формируется стройная система взглядов, дающих целостное представление о закономерностях и связях, существующих в конкретной предметной области.
"Из всех методологических концепций системотехническая наиболее близка к "естественному" человеческому мышлению - гибкому, неформальному, разноплановому. Она объединяет естественно- научный метод, основанный на эксперименте, формальном выводе и количественной оценке, с умозрительным методом, опирающимся на образное восприятие окружающего мира и качественный синтез" [269].
В данной работе системотехнический методологический подход к построению теории дополняется аксиоматическим подходом, более характерным для "чистой" математики. Об особенностях использования аксиоматического подхода при построении прикладных теорий хорошо сказано в [164]. "Если в некоторой группе доступных наблюдению явлений обнаруживается определенная закономерность, то можно попытаться построить математическую теорию этих явлений. Такую теорию можно считать математической моделью запаса эмпирических фактов - данных, полученных наблюдениями. В качестве отправной точки мы выбираем некоторые из наиболее существенных и наиболее простых черт этой закономерности, которая обнаружена в полученных данных