Аналіз методів і алгоритмів обробки радіосигналів зондування шаруватих середовищ за критерієм точності оцінки їх товщини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

УДК 621.396.96: 004.415

АНАЛІЗ МЕТОДІВ І АЛГОРИТМІВ ОБРОБКИ РАДІОСИГНАЛІВ ЗОНДУВАННЯ ШАРУВАТИХ СЕРЕДОВИЩ ЗА КРИТЕРІЄМ ТОЧНОСТІ ОЦІНКИ ЇХ ТОВЩИНИ

Спеціальність 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЧАЙКОВСЬКИЙ ІГОР БОРИСОВИЧ

Львів - 2001



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Оганесян Альберт Георгієвич, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Телекомунікації”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Клепфер Євген Іванович, Львівський науково-дослідний радіотехнічний інститут, головний науковий співробітник

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Воробель Роман Антонович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України (м. Львів), провідний науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра радіотехнічних пристроїв та систем

Захист відбудеться 28 листопада 2001р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою:79013, Львів-13, вул.Професорська, 1

Автореферат розісланий26 жовтня2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Романишин Ю.М.



АНОТАЦІЯ

Чайковський І.Б. Аналіз методів і алгоритмів обробки радіосигналів зондування шаруватих середовищ за критерієм точності оцінки їх товщини. - Рукопис. зондування радіосигнал цифровий інверсний

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню та аналізу методів і алгоритмів обробки відбитих радіолокаційних сигналів при зондуванні шаруватих середовищ з метою визначення їх товщини. Головним критерієм оцінки якості обробки прийнята точність вимірювання. За допомогою розробленої імітаційної моделі радіолокаційної станції проникаючого зондування (РЛСПЗ) проведені дослідження прямого цифрового, різницевого, інверсного, кепстрального, авторегресійного методів інтерпретації відбитих сигналів. Отримано характеристики точності як контактного способу вимірювання товщини середовища, так і дистанційного з особливостями орбітального варіанту РЛСПЗ. Адекватність імітаційної моделі підтверджена порівняльним аналізом обробки реальних сигналів, відбитих від морських льодів, отриманих під час польотних випробувань в Арктиці промислового вимірювача “Аквамарин”, діапазон вимірюваних товщин якого уточнено.

Ключові слова: шарувате середовище, проникаюча радіолокація, радіолокаційна станція проникаючого зондування (РЛСПЗ), характеристики точності, контактне та дистанційне вимірювання.



ABSTRACT

Tchaikovsky I.B. An analysis of the methods and algorithms of stratified mediums radioprobing signal processing according to the accuracy of thickness estimation. - Manuscript.

Ph.D. thesis by speciality 02.12.17 - Radio engineering and television systems. - National University “Lvivska Politechnika”, Lviv, 2001.

The Ph.D. thesis is dedicated to an investigation and analysis of the methods and algorithms of stratified mediums radioprobing signal processing according to the accuracy of the thickness estimation of the stratified mediums. The accuracy of measurement has been accepted as the main criterion of the quality of processing. By means of the developed model of a ground penetrating radar (GPR) studies of direct digital, differential, inverting, correlative, autoregressive methods of interpretation of the reflected signals are carried out. The accuracy characteristics of both the contact way of environment thickness measurement, and the remote way as it pertains to an orbital GPR, are determined. The adequacy of the imitating model is confirmed by a comparative analysis of the real signals reflected from sea ice received in flight tests in the Arctic Region from an industrial ice thickness measurement device, the Aquamarin”, the measurement range of which is verified.

Key words: stratified medium, ground penetrating radar, accuracy characteristics, contact and remote way of environment thickness measurement.



АННОТАЦИЯ

Чайковский И.Б. Анализ методов и алгоритмов обработки радиосигналов зондирования слоистых сред по критерию точности оценки их толщины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы.- Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2001.

Одним из способов получения информации об окружающей среде, особенно в отдаленных и труднодоступных регионах Земли, является радиолокация, которая с точки зрения получения точных и оперативных данных о состоянии зондируемых подповерхностных слоев должна быть проникающей. Ведутся исследования и проектные работы по созданию разнообразных радиолокационных станций проникающего (подповерхностного) зондирования (РЛСПЗ).

Диссертация посвящена исследованию и анализу методов и алгоритмов обработки отражённых радиолокационных сигналов при зондировании слоистых сред с целью определения их толщины. Основным критерием оценки качества обработки принята точность измерений. При помощи разработанной многопараметрической имитационной модели РЛСПЗ, которая позволяет исследовать влияние ряда параметров на характеристики точности методов, а именно: типа зондирующего сигнала, характера отражающей среды, способа синхронизации, отношения сигнал/шум отраженных сигналов, вида фильтрации, энергетических соотношений проведены исследования прямого цифрового, разностного, инверсного, корреляционного, кепстрального и авторегрессионного методов интерпретации отражённых сигналов. Исследовались сигналы, отражённые средами с разной степенью шероховатости в зависимости от формы зондирующего сигнала и уровня шума. Моделировались отражающие среды, свойства которых встречаются в научно-технической литературе по проникающей радиолокации земных покровов в течение последних 15 лет. Разработана расчетная схема модели для случая многослойной среды. Методика имитационных исследований осуществлялась по определенной схеме, основные параметры которой всегда были следующие: метод, способ интерпретации отраженного сигнала, отражающая среда, тип зондирующего сигнала, модель трассы, способ оценки погрешности, высота РЛСПЗ над слоем.

Ввиду того, что дистанционные РЛСПЗ (например, самолетные) пока не вышли из стадии экспериментальных разработок, а данные по орбитальным РЛСПЗ вообще отсутствуют, имитационным моделированием исследованы характеристики точности как контактного способа измерения толщины сред, так и дистанционного, с особенностями орбитального варианта РЛСПЗ. Получена теоретическая потенциальная точность измерения толщины сред на примере дрейфующих морских льдов при заданном количестве отсчетов измеряемого диапазона и уровня шума. Установлено, что оптимальным для дистанционного зондирования является синтезированный зондирующий сигнал с гребенчатым спектром, и получены зависимости для расчета энергетического потенциала радиолокатора, что позволило сделать вывод о возможности создания орбитальной РЛСПЗ. В свою очередь это потребовало изучения вопроса влияния ионосферы на точность измерений. Исследования на моделях показали, что ионосфера не вносит существенных погрешностей в процесс измерения толщины слоистых сред.

Для моделей отраженных сигналов получены статические оценки границ работоспособности методов в условиях шума для сред морских и пресных льдов. Исследовано влияние априорной информации на точностные характеристики корреляционного метода. Разработана специализированная программа интерпретации отраженного сигнала промышленного измерителя “Аквамарин” (имитатор оператора), что позволяет автоматически измерять и фиксировать толщину льда вдоль трассы полета. Определено, что реальный диапазон измерений РЛСПЗ “Аквамарин” в два раза меньше указанного в технических характеристиках. Оценена реальная точность и пределы его применимости.

Методика имитационных исследований распространена для анализа реальных сигналов, полученных во время полета самолета над полигонами с относительно ровной поверхностью участков морских льдов в разных акваториях Северного Ледовитого океана. Детально рассмотрены проблемы, которые возникают при анализе реальных сигналов. Ввиду отсутствия информации об истинной толщине льда предложено использование оригинальной методики соседних отсчетов, позволяющей определять погрешность измерения по трассе полета.

Проведен сравнительный анализ результатов летного эксперимента и исследований на имитационных моделях. Получено неплохое совпадение результатов, что подтверждает их адекватность.

Значение и актуальность работы состоит в том, что подтверждена перспективность методов активной радиолокации земных покровов для решения задачи определения толщины зондируемых слоев и дана оценка возможности использования разработанной методики и полученных результатов на ранних этапах проектирования радиолокаторов метрового диапазона волн с повышенной разрешающей способностью.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із способів отримання інформації про навколишнє середовище, особливо у віддалених і важкодоступних регіонах Землі, є зондування, приймання та аналіз відбитих електромагнітних хвиль, тобто радіолокація, яка з точки зору одержання точних, вірогідних і оперативних даних про стан приповерхневих шарів повинна бути проникаючою. Одним з інформативних параметрів, отримуваних при цьому, є товщина зондованих шарів. Тобто йдеться про дослідження з метою створення георадарів, або радіолокаційних станцій для контактного та дистанційного проникаючого зондування (РЛСПЗ). В зарубіжній літературі існує спеціалізований термін для таких приладів - GPR (Ground Penetrating Radar).

Сферами застосуваннями РЛСПЗ є будівництво, транспорт, сільське господарство та землевпорядження, геологія та гірнича справа, археологія, надзвичайні ситуації, спецзастосування.

Багато питань проникаючої радіолокації, не дивлячись на велику кількість наукових робіт, запропонованих методів і пристроїв, залишаються недослідженими як в теоретичній, так і в практичній площинах. Більш дослідженими є імпульсні РЛСПЗ, в яких товщина зондованого шару визначається за часовим зсувом складових відбитого сигналу від його поверхонь безпосередньо з сигналу. Значно менше вивчені методи, пов'язані з цифровою спектральною обробкою сигналів. Крім того, недостатньо, або зовсім недослідженими, залишаються питання теоретичної оцінки характеристик точності основних методів проникаючої радіолокації шаруватих середовищ, аналіз та інтерпретація сигналів, які забезпечують точність, що може бути потенційно досягнута, оперативність і достовірність вимірювання товщини деяких земних покриттів, дослідження особливостей літакового та орбітального варіантів РЛСПЗ і пропозиції щодо способів вирішення виникаючих при цьому проблем.

Очевидно, що позитивний розв'язок проблем проникаючого радіозондування може бути досягнутий тільки після обгрунтованого вибору та систематичного вивчення усіх складових відбитого сигналу, що впливають на інформативний параметр часової затримки, і в кінцевому результаті на точність вимірювання товщини шару. На жаль, аналітичні розв'язки цих питань існують тільки для найпростіших випадків, тому можливим виходом із цього затруднення може бути комп'ютерне цифрове імітаційне моделювання існуючих методів інтерпретації відбитих сигналів з наступним їх аналізом.

Для визначення потенційних можливостей методів певний науковий інтерес представляє їх порівняльне дослідження, виконане на одному й тому ж експериментальному матеріалі.

Таким чином, в дисертації вирішується важливе науково-технічне завдання проникаючої радіолокації - аналіз методів і алгоритмів обробки радіосигналів зондування шаруватих середовищ за критерієм точності оцінки їх товщини, чим визначається актуальність дисертаційної роботи. Значимість та актуальність дисертаційної роботи обумовлена також підвищенням вартості та відповідальності програм інформаційного забезпечення досліджень щодо характеристик точності, а також відсутністю завершеного наукового підходу з розробки інженерних методик вибору оптимальних структур параметрів на ранніх етапах проектування пристроїв для радіозондування приповерхневих шарів Землі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи здійснювалися відповідно до завдань спільних науково-дослідних робіт, що виконувалися на протязі 80-90-х років у НДКІ ЕЛВІТ (Науково-дослідний і конструкторський інститут електронної вимірювальної та обчислювальної техніки, Національний університет “Львівська політехніка”); у відділі фізики льоду та океану ААНДІ (Арктичний та Антарктичний науково-дослідний інститут, м. С.-Петербург, Росія); на кафедрі авіаційного зв'язку (Ризький інститут інженерів цивільної авіації, м. Рига, Латвія) із створення автоматичного радіолокаційного вимірювача товщини морських льодів (”Дистанционные измерения толщины и температуры морских льдов с помощью бортового активно-пассивного радиолокационного комплекса”) та держбюджетної теми: ДБ/НДКІ ЕЛВІТ-Ф. 1998 р. “Дослідження методу проникаючого радіолокаційного зондування та розробка георадарів метрового діапазону хвиль для дистанційного моніторингу підповерхневих шарів Землі”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є отримання оцінок характеристик точності основних методів проникаючої радіолокації шаруватих середовищ, аналіз та інтерпретація сигналів, що забезпечують потенційну точність, оперативність і достовірність вимірювання товщини деяких земних покриттів, дослідження особливостей літакового та орбітального варіантів РЛСПЗ і пропозиції щодо способів розв'язку питань, що виникають при цьому.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішено наступні задачі:

аналіз відомих критеріїв та способів отримання характеристик точності основних методів проникаючого радіозондування;

розробка імітаційної моделі радіолокаційних сигналів, відбитих від шаруватих земних покриттів з різною шершавістю, зокрема, від довільного шару до конкретних шарів прісноводних і дрейфуючих морських льодів різної товщини та морфології;

імітаційним моделюванням визначення характеру та ступеня впливу на точність методів інтерпретації відбитих сигналів форми зондуючого сигналу, рівня шуму відбитих сигналів та енергетичного потенціалу радіолокатора в різних діапазонах товщин і висоти над зондованим шаром;

визначення найбільш придатних методів для задач вимірювання товщини прісноводних і морських льодів;

дослідження адекватності розробленої імітаційної моделі шляхом порівняльного аналізу результатів і висновків експериментів на моделях та обробки бази даних реальних сигналів, отриманих під час польотних випробувань в Арктиці вимірювача товщини льоду.

Об'єкт дослідження - методи та алгоритми проникаючої радіолокації, що застосовуються для визначення товщини шаруватих середовищ.

Предмет дослідження - характеристики точності методів проникаючої радіолокації.

Методи дослідження - методи теорії побудови радіотехнічних систем, імітаційного моделювання, електродинаміки, математичної статистики, цифрового спектрального аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Дисертаційна робота скерована на вирішення завдання, що має важливе науково-практичне значення для розробки інженерних методик вибору оптимальних параметрів пристроїв радіозондування приповерхневих шарів Землі на ранніх етапах проектування, що приводить до їх значного здешевлення. Наукова новизна результатів полягає в наступному:

Підтверджено перспективність методів активної радіолокації земних покриттів для вирішення задачі визначення товщини зондованих шарів. Розроблені імітаційні моделі, що дозволяють моделювати зондуючі та відбиті сигнали при польоті над льодами різної товщини, морфології та електричних параметрів і дають можливість на етапі проектування радіолокаційних станцій проникаючого зондування оцінити основні похибки вимірювання товщини шаруватих середовищ.

Вперше для задачі вимірювання товщини дрейфуючих морських льодів встановлено потенційну похибку в залежності від інтервалу дискретизації вимірюваного діапазону та відношення сигнал/шум.

Подальший розвиток дістало дослідження кореляційного та імпульсного методів, що виявило діапазони та похибки вимірювання товщини морських льодів, залежність похибок від форми та спектрів зондуючих сигналів, дозволило виробити рекомендації щодо формування останніх.

Вперше встановлено нижню границю відношення сигнал/шум відбитих сигналів для вимірювання товщини льодів із заданою похибкою.

На основі аналізу похибок встановлено межу їх зменшення при вимірюванні товщини дисперсійних середовищ (морських льодів) в залежності від збільшення ширини спектра зондуючого сигналу.

Вперше отримано оцінки похибок орбітальної РЛСПЗ при вимірюванні товщини шару з врахуванням впливу іоносфери. Шляхом аналізу результатів показано, що можливе створення авіаційних і орбітальних радіолокаційних вимірювачів товщини шаруватих середовищ, наприклад, дрейфуючих морських льодів.

Подальший розвиток дістало дослідження кепстрального методу (з усіма його модифікаціями), що показало ступінь його придатності для практичного застосування при вимірюванні товщини морських льодів.

Подальший розвиток дістало проведення порівняльного аналізу результатів польотних експериментів і досліджень з імітаційними моделями, що підтвердило адекватність імітаційних моделей РЛСПЗ.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення отриманих результатів у цілому полягає в тому, що вони дозволяють використати можливості методів обробки відбитих сигналів для отримання інформації про товщину зондованих шарів і можуть застосовуватися для розробки програмного та математичного забезпечення конструкторських підсистем, що призначені вирішувати задачі оптимального проектування радіоелектронних засобів для підповерхневого зондування Землі - георадарів (РЛСПЗ) за умов, коли проведення випробувань створюваних пристроїв вимагає значних коштів або взагалі неможливе.

Результати, отримані в дисертації, впроваджені в Державному НДІ Арктики та Антарктики (м. С-Петербург, Росія, акт від 22.06.2000 р.) при розробці айсберг-радара в рамках науково-дослідних робіт (НДР) “Другач” (науково-технічний звіт з НДР, ААНИИ, № Ф-3826), при проведенні досліджень з НДР “Изучить возможности определения толщины снежного покрова методом радиолокационного зондирования” (науково-технічний звіт з НДР, СПб, ААНИИ, № гос.рег.01960002970, фондовый № Р-4964, инв. № 02960003029, 1995), в навчальному процесі в якості посібника в Северном Международном Университете (м. Магадан, Росія, акт від 26.09.2000 р.), а також у навчальному процесі Національного університету “Львівська політехніка” при викладанні дисциплін ”Цифрова обробка сигналів”, “Математичні задачі радіотехніки та зв'язку”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав усі теоретичні та експериментальні дослідження, що становлять основу дисертаційної роботи. При цьому в роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: в [2] - обгрунтування застосування метрового діапазону для вирішення задач проникаючої радіолокації, проведення досліджень з реальними сигналами польотних експериментів в Арктиці, аналіз та узагальнення результатів; в [5] - розробка імітаційної моделі та досліди з визначення впливу форми зондуючого сигналу на точність вимірювання товщини шаруватих середовищ, застосування теореми Шеннона та нерівності Крамера-Рао для виведення залежності оцінки абсолютної похибки вимірювання відносно вимірюваного діапазону за відомим об'ємом сигналу, отримання потенційної точності для кореляційної та імпульсної РЛСПЗ, аналіз результатів; в [6] - розробка алгоритму, отримання на імітаційній моделі похибок вимірювання товщини морських льодів із застосуванням кепстрального аналізу на основі лінійного передбачення, постановка та аналіз результатів; в [7] - розробка алгоритму, отримання на імітаційній моделі оптимальних параметрів фільтра передбачення похибки при вимірюваннях товщини морських льодів, аналіз результатів моделювання та натурних експериментів; в [9] - аналіз проблем при створеннi георадарiв, пропозиції щодо їх вирішення, приклади застосування пропонованих методів для вимірювання товщини морських льодів; в [*] - постановка задачі, виведення залежності для необхідної потужності зондуючого сигналу в межах ефективної ширини спектра при заданому потенціалі радіолокатора, розробка моделі впливу іоносфери на точність дистанційного вимірювання товщини зондованих шарів, аналіз результатів.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювалися на: 4-й науково-технічній конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”, 1997 р, м. Львів; Міжнародній науково-технічній конференції ”Сучасні проблеми засобів телекомунікацій, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів TCSET-2000”, 2000 р, м. Львів; 6-й міжнародній науково-технічній конференції “Досвід проектування і застосування САПР в мікроелектроніці CADSM-2001”, 2001 р, м. Львів; Науково-технічній раді Львівського центру інституту космічних досліджень Національного космічного агентства НАН України, м. Львів, 2000 р; наукових семінарах кафедри “Телекомунікації” Національного університету “Львівська політехніка”, 1999-2001 рр.

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалася та обговорювалася на кафедрі “Телекомунікації” Національного університету “Львівська політехніка”.

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені в 10 публікаціях, з них 5 - у фахових наукових виданнях згідно переліку, затвердженого ВАК України. Одна стаття в електронному журналі (Інтернет видання).

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації - 248 стор., з яких 67 рисунків на 26 стор., 54 таблиці на 20 стор., 2 додатки на 42 стор., список джерел із 109 найменувань на 11 стор.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дослідження методів і алгоритмів обробки радіосигналів зондування шаруватих середовищ за критерієм точності оцінки їх товщини, показано зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Подано дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та публікації.

У першому розділі описано роль і місце проникаючої радіолокації в контексті дослідження природного середовища та ретроспективно розглянуто стан питання з проблем, що виникають при радіозондуванні приповерхневих шарів Землі з метою визначення їх товщини. Відзначено, що розвиток обчислювальної техніки забезпечив умови для інтенсифікації робіт у напрямку створення цілої низки різноманітних георадарів для вирішення завдань проникаючої радіолокації. Питанням розробки концептуальних положень, дослідження та побудови конкретних систем проникаючої радіолокації присвячені роботи українських і зарубіжних вчених В.В.Богородського, В.І.Боярського, В.П.Золотарьова, С.І.Івашова, А.І Калмикова, С.Копенджана, К.Лейшена, К.Мазера, С.Марпла, М.Морана, А.Г.Оганесяна, Г.Олхефта, А.Равсона, Г. Стіклі, М.І.Фінкельштейна, І.М.Фукса, В.Хаммона та ін. Представлені у цих роботах методи інтерпретації сигналів, відбитих від різних шарів земної поверхні, можна умовно поділити на дві групи: прямі методи та методи, що вимагають спеціальної обробки.

Основним критерієм для оцінки працездатності тих чи інших методів інтерпретації є точність вимірювання. Проте на сьогодні методика знаходження даного показника у випадку інтерпретації радіолокаційних профілів зондування шаруватих середовищ мало вивчена.

Частково ця проблема розглядається в працях М.І.Фінкельштейна, В.А.Кутєва, В.П.Золотарьова та інших, для випадку застосування георадарів в інженерній геології. Проте в цих роботах відсутній порівняльний аналіз застосовуваних методів.

Задачі інтерпретації контрастів радіолокаційних відбиттів при підповерхневому дистанційному зондуванні присвячені праці Ф.Алабі, Р.Мура. Однак розглянутий сантиметровий діапазон хвиль в цих методах не забезпечує достатньої глибини проникнення сигналу в шар.

Питання орбітального радіолокатора проникаючого зондування розглядаються в працях Ю.А.Мельника, С.Г.Зубковича, В.Д.Степаненка, проте величина роздільної здатності розглянутих приладів є невисока, а енергетичні співвідношення не висвітлені зовсім.

Порівняльні оцінки точності відсутні також в матеріалах останніх міжнародних конференцій з проникаючого зондування GPR-98, GPR-2000.

Критично оглянуті відомі оцінки характеристик точності методів, що отримані в основному експериментальним шляхом. Зазначено відсутність їх теоретично обгрунтованих підтверджень.

Показано, в чому полягають особливості радіолокаційного зондування і подано огляд характеристик та електромагнітних параметрів деяких земних покриттів.

Розглянуто залежності для моделювання відбиття електромагнітної хвилі від шаруватих середовищ, ускладнених шершавістю.

На основі розглянутого обгрунтовано вибір і зроблено огляд групи методів інтерпретації відбитих сигналів при радіолокаційному вимірюванні товщини шарів.

У другому розділі обгрунтування дослідження точності вимірювання товщини шаруватих середовищ подано як задачу визначення часового розміщення сигналів, відбитих границями зондованих шарів в умовах завад. Аналітичний розв'язок її в загальному випадку неможливий, тому запропоновано числове вирішення її методами імітаційного моделювання.

Дослідження точності методів проведено за допомогою розробленої багатопараметричної цифрової імітаційної моделі основної функціональної частини РЛСПЗ - приймача (рис.1). Імітатор зондуючих сигналів моделював 11 типів сигналів (імпульс Кронекера, випадкова послідовність, дзвоноподібний імпульс, сигнали, синтезовані з гармонічних складових зі спеціально підібраними частотами, амплітудами і фазами, сигнал промислового вимірювача товщини льоду РЛСПЗ “Аквамарин”). Імітатор відбитих сигналів моделював сигнал на вході приймача РЛСПЗ за заданим зондуючим сигналом і вибраною моделлю досліджуваного середовища (прісний і солоний лід, довільна модель). Імітаційна модель дозволяла моделювати різні товщини досліджуваних шарів і змінювати висоту зондування.

Об'єктами дослідження були шість методів інтерпретації сигналів.

Цифровий метод з відліком із сигналу, що базується на алгоритмі пошуку інформативного максимуму відбитого сигналу РЛСПЗ ”Аквамарин”, проте на відміну від останньої функцію оператора виконує комп'ютерна програма (рис.2), яка, крім того, усуває конструктивний недолік приладу - неоднозначність визначення максимуму.

Різницевий метод - за положенням на часовій осі абсолютного максимуму нормалізованої різниці між зондуючим і відбитим сигналами (рис.3).

Кореляційний метод, що грунтується на послідовному обчисленні коефіцієнтів взаємної кореляції відбитого та зразкових (еталонних) сигналів відбиттів від шарів різної товщини, тобто визначення функції правдоподібності, в якій шукана товщина пропорційна розміщенню її абсолютного максимуму. Схема обробки дозволяла отримувати також апостеріорну ймовірність шуканого параметру (рис.4).

Кепстральний метод - за кількістю піків логарифмічного спектра відбитого сигналу (рис.5).

Метод інверсної фільтрації - визначення імпульсної характеристики досліджуваного шару, яка містить інформацію про товщину (рис.6).

Метод авторегресійного спектрального аналізу, що пов'язаний з екстраполяцією спектра сигналу поза інтервал вимірювання (вікна) (рис.7).

Створена імітаційна модель РЛСПЗ дозволяє досліджувати вплив на характеристики точності методів вимірювання товщини шаруватих середовищ ряду параметрів, а саме: типу зондуючого сигналу, характеру відбиваючого середовища, способу синхронізації, рівня відношення сигнал/шум відбитих сигналів, виду фільтрації, енергетичних співвідношень при дистанційних вимірюваннях.

Властивістю моделі є можливість обробки реальних сигналів, відбитих від морських льодів різної морфології, що створює можливість підтвердження її адекватності.

Критерієм точності вимірювань досліджуваних методів прийнято значення систематичної та середньоквадратичної похибок. У випадку досліджень з реальними сигналами, коли інформація про товщину зондованого шару, на відміну від експериментів з моделями, відсутня, для оцінки точності запропоновано використовувати оригінальний асинхронний метод сусідніх відліків.

При розробці моделі створено засоби для візуалізації та збереження результатів досліджень, особливе значення при цьому надавалося інтерпретації хвильового поля відбитих сигналів. Розроблена розрахункова схема моделі для випадку багатошарового середовища.

У третьому розділі проведено порівняльний аналіз методів інтерпретації сигналів на підставі імітаційних випробувань. При цьому вирішувалися дві головні задачі. Перша з них полягала в статистичній оцінці точності методів за результатами вимірювань взаємної часової затримки сигналів за схемою: модель відбиваючого середовища, модель відбитого сигналу, метод. Друга задача складалася з пошуку оптимальних параметрів та ефективних критеріїв роботи методів з метою подальших випробувань їх на матеріалах реальних сигналів.

Методика імітаційних випробовувань передбачала здійснення їх за певною схемою, основні параметри якої завжди були наступними: метод, спосіб інтерпретації відбитого сигналу, відбиваюче середовище, тип зондуючого сигналу, модель траси, спосіб оцінки похибки, висота РЛСПЗ над шаром. В процесі роботи здійснювалося відпрацювання від простіших схем з дзеркальними складовими відбитих сигналів без шуму до схем сигналів з різними рівнями шуму дифузного відбиття від торосистих льодів при зміні висоти розміщення РЛСПЗ вздовж траси вимірювання, тощо. Застосовувалася точна оцінка похибки, оскільки товщина вимірюваних шарів моделювалася, тобто була відома апріорно. Результат одного розрахунку для кореляційної обробки сигналів польотних експериментів (товщина льоду 1,0 м) зображено на рис.8.

За допомогою імітаційної моделі обчислювалися похибки вимірювання, які умовно поділялися на два класи - інтегральні, коли вимірювана величина змінювалася у всьому діапазоні вимірювання, та статичні, коли значення вимірюваного параметра залишалося незмінним, а натомість ті параметри, що впливали на похибку - форма зондуючого сигналу, відношення сигнал/шум, середовище та ін., змінювалися в повному обсязі.

Для моделей відбитих сигналів отримано статичні оцінки границь працездатності методів в умовах шуму. Приймався той рівень шуму відбитого сигналу (ш/с в дБ) при якому виконувалася хоча б одна з умов: середньоквадратична похибка вимірювання >20%, коефіцієнт кореляції виміряної та еталонної трас товщин льоду <0,6. Виконання цих умов при рівні шуму < -200 дБ означало повну неможливість вимірювань. На рис.9 подані результати для морських (а) та прісних (б) льодів товщиною 1,45 м. Дослідження виконувалися для 8 типів зондуючих сигналів.

Здійснена оцінка впливу апріорної інформації при вимірюванні товщини льодів кореляційним методом. Отримано висновки, що в більшій мірі використання апріорної інформації впливає на точність вимірювання прісних льодів і що слід очікувати деякого впливу на точність вимірювання товщини морських льодів за записами реальних сигналів польотних експериментів, особливо трас з тонкими та первинними формами льоду (шуга, нілас, лунки, розводи).

Огляд стану проблем, які виникають при вирішенні задач проникаючого зондування, виявив, що спостерігається відсутність зразків приладів для неконтактного дослідження середовища, тобто з певної відстані від нього, а також наукового підходу при дослідженні цього питання. Особливий інтерес становлять орбітальні РЛСПЗ, створення яких ще попереду, і які дадуть можливість дистанційного зондування Землі із космосу, що належить до одного з пріоритетних напрямків розвитку науки та техніки. Значний потенціал та перспективи в цій галузі має Україна в рамках своєї космічної програми після запуску апаратів “Січ” та “Океан-О”.

В дисертації запропоновано методику дослідження цього питання з точки зору енергетичних співвідношень для випадку промислового варіанту радіолокаційного вимірювача товщини льодів “Аквамарин”, у якого діапазон вимірювань товщини льоду (без неоднозначності) становив 0-2 м, а максимальна висота польоту, що дозволяла виконувати вимірювання (перевірена експериментально), досягала 500 м. Імітаційні дослідження показали, що заміна способу формування зондуючого сигналу (метод ударного збудження широкосмугової антени в приладі) на синтезований з суми кратних синусоїд створює можливість зондування з орбітальних висот при однаковому енергетичному потенціалі, що в свою чергу вимагало вивчення питання впливу іоносфери на точність вимірювання. Експерименти на моделях виявили, що остання не вносить суттєвих похибок в процес вимірювання товщини шаруватих середовищ (рис.10).

В роботі виконано визначення потенційної точності радіолокаційних вимірювань товщини шаруватих середовищ (рис.11).

У четвертому розділі поширено методику проведення імітаційних досліджень для аналізу реальних сигналів, отриманих під час польоту літака над полігональними з відносно рівною поверхнею ділянками морських льодів у різних акваторіях Північного Льодовитого океану. В середньому довжина траси становила величину 300-500 м та позначалася маркерами, в місцях розміщення яких здійснювалося контрольне буріння через 80-100 м та визначення товщини льоду мірною лінійкою. Товщина також оцінювалася під час польоту візуально гідрологами з одночасним нанесенням її на карти льодової розвідки. Висота польоту літака з приладом коливалася від 200 до 500 м.

Детально розглянуто проблеми, що виникають під час проведення польотних експериментів за умови відсутності даних про істинну товщину льоду. Запропоновано використання спеціальної методики сусідніх відліків, яка дозволяє визначати похибку за трасою польоту. Здійснено порівняльний аналіз результатів польотних експериментів і досліджень з імітаційними моделями. Отримано добрий збіг результатів імітаційних і натурних експериментів, що підтвердило адекватність створеної моделі РЛСПЗ.

В додатках наведені тексти програм алгоритмів імітаційної моделі та документи про впровадження результатів дисертаційної роботи.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розв'язано наукову задачу аналізу методів і алгоритмів обробки радіосигналів зондування шаруватих середовищ за критерієм точності оцінки їх товщини шляхом порівняння отриманих за допомогою імітаційного моделювання характеристик точності. Найбільш суттєві висновки з роботи зводяться до наступних:

Підтверджено перспективність методів активної радіолокації земних покриттів для вирішення задачі визначення товщини зондованих шарів. Розроблені імітаційні моделі, що дозволяють моделювати зондуючі та відбиті сигнали при польоті над льодами різної товщини, морфології та з різними електричними параметрами і дають можливість на етапі проектування радіолокаційних станцій проникаючого зондування (РЛСПЗ) оцінити основні похибки вимірювання товщини шаруватих середовищ.

Вперше для задачі вимірювання товщини дрейфуючих морських льодів при 32 інтервалах дискретизації вимірюваного діапазону та відношенні сигнал/шум 20 дБ встановлено, що потенційна похибка не перевищує 1%.

Подальший розвиток дістало дослідження кореляційного методу: похибка вимірювання товщини дрейфуючих морських льодів практично не залежить від форми зондуючого сигналу; найменшу похибку дозволяють отримати сигнали, що мають рівномірний спектр амплітуд; спектр фаз на точність вимірювань не впливає; доцільно зондуючий сигнал синтезувати з когерентних синусоїд з приблизно однаковими амплітудами і довільними початковими фазами; серед досліджених методів похибка в усьому діапазоні вимірюваних товщин найменша та не перевищує 6%.

Подальший розвиток дістало дослідження імпульсного методу, в результаті чого встановлено: доцільно синтезувати зондуючий сигнал дзвоноподібної форми, однак необхідно вводити корекцію амплітуд і фаз; похибка імпульсного методу співвимірна з кореляційним тільки в середині діапазону вимірювань, на початку і в кінці останнього похибка значно зростає; похибка імпульсної РЛСПЗ за результатами імітаційних та польотних випробувань над гладкими дрейфуючими льодами не перевищує 15%.

Вперше встановлено, що вимірювання товщини льодів з допустимою похибкою (не більше 20%) можливі при відношенні сигнал/шум відбитих сигналів не менше, ніж 20 дБ.

Встановлено, що похибка вимірювання товщини дрейфуючих морських льодів РЛСПЗ усіх розглянутих типів зменшується із збільшенням ширини спектра зондуючого сигналу. При зондуванні дисперсійних середовищ, наприклад, солоного морського льоду, збільшення ширини спектра зондуючого сигналу і пов'язане з цим зменшення похибки має межу.

Вперше отримано оцінки похибок орбітальної РЛСПЗ при вимірюванні товщини шару з врахуванням впливу іоносфери. Шляхом аналізу результатів показано, що можливе створення авіаційних і орбітальних радіолокаційних вимірювачів товщини шаруватих середовищ, наприклад, дрейфуючих морських льодів.

Подальший розвиток дістало дослідження кепстрального методу (з усіма його модифікаціями), що показало його малопридатність для практичного застосування для вимірювання товщини морських льодів.

Подальший розвиток дістало проведення порівняльного аналізу результатів польотних експериментів і досліджень з імітаційними моделями, що підтвердило адекватність імітаційних моделей РЛСПЗ і їх аналогів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Чайковський І.Б. Метод інтерпретації сигналів радіолокаційного зондування земних покриттів на основі кореляційного аналізу // Радіоелектроніка та телекомунікації. Вісник ДУ “Львівська політехніка”, № 367.- Львів: 1999.- С. 22-24.

Оганесян А.Г., Чайковський І.Б. Дослідження методу проникаючого радіолокаційного зондування та розробка георадарів метрового діапазону хвиль для дистанційного моніторингу підповерхневих шарів Землі // Радіоелектроніка та телекомунікації. Вісник ДУ “Львівська політехніка”, № 387.- Львів: 2000.- С.166-172.

Чайковський І.Б. Статичні оцінки точності методів інтерпретації сигналів радіозондування приповерхневих шаруватих земних середовищ // Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. Вісник НУ “Львівська політехніка”, № 415.- Львів: 2001.- С.45-50.

Чайковський І.Б. Характеристики точності методів радіолокаційних вимірювань товщини деяких шаруватих покриттів Землі // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 7 - Київ, 2001.- С. 128 -134.

Оганесян А.Г., Чайковський І.Б. Вплив форми зондуючих сигналів на потенційну точність систем проникаючого радіозондування для вимірювання товщини шаруватих середовищ // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 8 - Київ, 2001. - С. 126-133.

Оганесян А.Г., Чайковский И.Б. Кепстральный анализ сигналов, отраженных от морских льдов, на основе метода линейного предсказания. // Электрофизические и физико-механические свойства льда. Сборник трудов Арктического и Антарктического НИИ - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - С. 99-105.

Оганесян А.Г., Чайковский И.Б. Кепстральный анализ сигналов радиозондирования морских льдов на основе метода линейного предсказания // Автометрия (АН СССР).-1991.- № 3.- С. 31-35. (Є передрук цієї статті під назвою “Oganesyan A.G. Chaikovskii I.B. Linear-prediction-based cepstral analysyis of sea ice radioprobing signals. // Optoelectronic, instrumentation and data processing, USA.-1991.-P.37-41.”)

Чайковський І.Б. Методи проникаючого радіозондування земних покриттів із застосуванням авторегресійного спектрального аналізу // Мат. 4-ї науково-технічної конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”, част. 2. - Львів: ДУ “Львівська політехніка”. - 1997. - С. 198-199.

Oganesyan A.G. Tchaikovsky I.B. The investigation of penetrating radiolocation sounding method and the development of modern georadars of metric waves range // Proc. of International Conf. on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training TCSET 2000. - Lviv-Slavsko (Ukraine). - 2000.- P.70-71.

Tchaikovsky Ihor. Static Accuracy Estimations of the Methods of Interpretation the Subsurface Layered Earth Radioprobing Signals // Proc. of the VI-th International Conf. CADSM 2001. - Lviv-Slavsko (Ukraine). - 2001. - P.79-80.

Размещено на Allbest.ru