Розвиток теорії та удосконалення систем радіоакустичного і акустичного зондування атмосфери

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМ РАДІОАКУСТИЧНОГО І АКУСТИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ АТМОСФЕРИ

Спеціальність: Радіотехнічні та телевізійні системи

КАРТАШОВ ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

Харків, 2003 рік



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Життя і діяльність людини проходять в атмосфері Землі і залежать значною мірою від її стану. Атмосфера - надзвичайно складний і динамічний об'єкт, який потребує для дослідження відповідних теоретичних та експериментальних методів. Традиційні контактні методи вимірювань не здатні задовольнити вимоги, що зростають, до обсягу метеорологічної інформації. Основними їх недоліками є дискретність одержуваних результатів у просторі або в часі та висока вартість висотних вимірювань, для виконання яких використовуються спеціальні засоби доставки датчика в досліджувану область: метеорологічні щогли, аеростати, літаки, вертольоти, ракети і т. ін.

Тому останнім часом інтенсивно розвиваються методи дистанційного зондування атмосфери електромагнітними і звуковими хвилями, які дозволяють провадити практично неперервні вимірювання в усьому доступному для даного методу діапазоні висот та забезпечують малі витрати на проведення повторних вимірювань. При розміщенні апаратури на поверхні Землі, авіаційних та космічних носіях забезпечується унікальна можливість оперативного збирання даних в глобальному масштабі. Особливо актуальним розвиток даного напрямку стає у зв'язку із зростаючими масштабами антропогенного впливу на навколишнє середовище.

Значні можливості по визначенню параметрів атмосфери надають методи радіоакустичного та акустичного зондування (РАЗ, АЗ), що мають ряд істотних переваг перед іншими дистанційними методами. Більш високий ступінь взаємодії звукових хвиль із атмосферою, ніж у електромагнітних хвиль більшості областей спектра, забезпечує поряд з інформативністю відносно невисоку вартість і простоту відповідних пристроїв зондування.

Значний внесок у розвиток методів зондування атмосфери з використанням звукових хвиль внесли такі вчені: О.М. Обухов, В.І. Татарський, Є.Г. Прошкін, М.О. Каллістратова, О.І. Кон, Л.Г. Макаллістер, К.Г. Літтл, О.С. Гурвич, М.П. Красненко, G. Bonino, С.І. Бабкін, Ю.М. Ульянов, Г.І. Сідоров, І.В. Коритцев, О.Г. Налбандян, І.В. Петенко, S.P. Singal, J.Keder, S.S. Bradley, G. Peters та ін.

Сучасний стан розвитку станцій акустичного і радіоакустичного зондування (содарів та расдарів) характеризується освоєнням їх промислового виробництва в ряді країн і широким використанням при вирішенні багатьох важливих задач наукового і прикладного змісту, серед яких визначаються наступні.

1. Вивчення фізичних процесів в атмосфері, зокрема, для удосконалення методів прогнозу погоди й теорії клімату;

2. Моніторинг атмосфери у великих містах і промислових районах для прогнозування надзвичайних ситуацій і небезпечних з точки зору забруднення повітря метеорологічних умов;

3. Дослідження різних аспектів поширення і розсіяння радіо, світлових та звукових хвиль в атмосфері;

4. Метеозабезпечення зльоту і посадки літальних апаратів.

Актуальність застосування і розвитку расдарів і содарів в Україні обумовлена наявністю районів з високою щільністю населення, компактним розміщенням підприємств промислового виробництва, в тому числі екологічно шкідливих - металургійних, енергетичних, хімічних, значним розвитком повітряного транспорту та ядерної енергетики.

Проте сучасний рівень техніки зондування не реалізує наявні багаті потенційні можливості зазначених методів по вимірюванню параметрів атмосфери, що суттєво обмежує ефективність їх застосування при вирішенні насущних задач.

З іншого боку, потреби практики вимагають поліпшення основних показників якості існуючих станцій: точності вимірювань характеристик середовища, далекості дії, просторової та часової роздільної здатності, завадозахищеності, зменшення залежності від змінюваних зовнішніх умов, а також розширення набору вимірюваних метеопараметрів.

Недосконалість станцій, що знаходяться в експлуатації, обумовлена насамперед недостатнім рівнем розвитку теорії і методичного забезпечення діяльності інженерів-розробників.

При побудові станцій РАЗ і АЗ зараз використовуються методи, методики й алгоритми, запозичені з радіолокації, які розроблені для точкових або малорозмірних зосереджених цілей, підходи, основані на інженерній інтуїції та експерименті, а основним методом проектування і дослідження їх залишається макетно-апаратурне моделювання.

Характерні особливості систем радіоакустичного та акустичного зондування, у порівнянні з іншими різноманітними локаційними системами, обумовлені насамперед унікальністю об'єктів, на яких спостерігається розсіювання хвиль.

Саме через особливості об'єктів існуючі методи синтезу й аналізу радіосистем і пристроїв досі не затребувані достатньою мірою при проектуванні й оптимізації даних станцій, оскільки відсутній адекватний та конструктивний математичний опис існуючих локаційних каналів.

Теорія поширення хвиль у турбулентній атмосфері, яка використовується для одержання відомостей про розсіяні сигнали, не дає розробникам необхідної апріорної інформації для побудови оптимальних алгоритмів функціонування станцій, як і результати, одержані експериментально, а отримані на основі зазначених підходів і методів технічні рішення, втілювані в апаратурі, виявляються далекими від оптимальних, що, зрештою, негативно позначається на якості техніки, що розробляється і виготовляється. Потреби практики, стан теорії і техніки систем вимагають створення для даного напрямку спеціалізованого науково-методичного апарату, який дозволив би дослідити властивості різних видів зондувальних акустичних та електромагнітних сигналів, здійснювати на основі результатів досліджень аргументований їх вибір при проектуванні, оптимізацію пристроїв оброблення прийманих коливань, адаптацію до поточних змін зовнішніх умов і т. ін.

Наукова проблема, вирішенню якої присвячена дисертація, полягає у створенні підходів, моделей та методів опису й дослідження взаємодії зондувальних сигналів радіоакустичних та акустичних систем із середовищем і розв'язанні на їх основі теоретичних та практичних задач з оптимізації, адаптації й удосконаленню систем даного класу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в рамках пріоритетних напрямків науково-технічної діяльності Міністерства освіти і науки України: “Перспективні інформаційні технології, пристрої комплексної автоматизації, системи зв'язку”, “Охорона навколишнього середовища”, у рамках програми “Про створення регіональної інформаційно-аналітичної системи з надзвичайних ситуацій у Харківській області”, що є частиною робіт зі створення Урядової інформаційно-аналітичної системи з надзвичайних ситуацій (постанова Кабінету Міністрів №250 від 7.04.95 р.) і пов'язана з наступними НДР Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ): “Розвиток теорії і розробка нових принципів побудови перспективних інформаційних і енергетичних радіоелектронних систем” (№державної реєстрації (ДР) 0100U001345, 2000-2002 р.), “Розробка засобів дистанційного зондування пограничного шару атмосфери для виміру і контролю параметрів повітряного середовища на базі акустичного методу і методології їхнього використання для прогнозування надзвичайних ситуацій” (№ДР 0197U012132, 1997 - 1999 р.), “Динаміка” (№345, 1994 - 96 р.), “Ризоліт” (№89-84, 1989 - 94 р.), ОКР “Хризантема” (№93-4, 1993 р.). Мета роботи - створення основ теорії зондувальних акустичних та електромагнітних сигналів, підходів до оптимізації пристроїв оброблення прийманих коливань у расдарах, рекомендацій щодо їх побудови, вибору видів сигналів при проектуванні, а також детальне розроблення методів захисту систем від змін зовнішніх умов і алгоритмів вимірювання метеопараметрів.

Задачі дослідження:

1. Розроблення й обґрунтування адекватних моделей інформаційних локаційних каналів систем акустичного і радіоакустичного зондування;

2. Створення теоретичних методів аналізу властивостей зондувальних акустичних і електромагнітних сигналів, які використовуються у радіоакустичних системах вимірювання параметрів атмосфери. Вивчення можливостей розроблених методів і коливань, що використовуються на практиці;

3. Розроблення методів синтезу структур сигналів, використовуваних у радіоакустичних системах, і оптимізації параметрів сигналів радіоакустичних і акустичних систем;

4. Оптимізація параметрів випромінюваних у расдарах і содарах імпульсних послідовностей, що мають малу шпаруватість. Синтез сигналів для інваріантного захисту систем РАЗ від зміни зондування;

5. Використовуючи створені моделі локаційних каналів, дослідити їх статистичні властивості, властивості прийманих сигналів і на основі цього розробити алгоритми вимірювання параметрів атмосфери;

6. Підвищити завадозахищеність акустичних локаторів розробленням методів і алгоритмів адаптації до змінюваної завадової обстановки, основаних на оптимізації властивостей випромінюваних сигналів;

7. Вивчити вплив нелінійних явищ, що спостерігаються в інтенсивних звукових хвилях у повітрі, на характеристики акустичних коливань;

8. Отримати основне рівняння радіоакустичного зондування, що дозволяє робити енергетичні розрахунки для різних форм простих і складних випромінюваних коливань;

9. Розробити підходи до оптимізації пристроїв оброблення прийнятих сигналів у расдарах, синтезувати алгоритми оброблення і сформулювати рекомендації щодо їх використання на практиці;

10. Розробити рекомендації щодо вибору видів і параметрів зондувальних сигналів при проектуванні радіоакустичних систем вимірювання параметрів атмосфери.

Об'єкт дослідження - процес зондування атмосфери акустичними та електромагнітними хвилями.

Предмет дослідження - методи вивчення властивостей, приймання та оброблення радіосигналів, розсіяних на звуковій посилці, та акустичних сигналів, розсіяних природними неоднорідностями середовища.

Методи дослідження. У роботі використані системотехнічний та аксіоматичний методологічні підходи до побудови теорії, методи просторово-часової теорії радіосистем, теорії поширення хвиль у турбулентній атмосфері, методи акустики, числові методи аналізу, комп'ютерне моделювання і натурний експеримент.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше сформульовано задачу створення спеціалізованого науково-методичного апарата для дослідження систем радіоакустичного й акустичного зондування атмосфери і його найважливішої складової частини - теорії зондувальних сигналів;

2. Виявлено закономірність у формуванні розсіяного на звуці радіосигналу, що являє собою взаємну кореляційну функцію по подовжній просторовій координаті взаємодіючих коливань;

3. Введено двовимірну просторово-частотну взаємокореляційну функцію звукового і радіосигналів, що містить інформацію про особливості їхньої взаємодії в атмосфері, яку можна наочно представляти у вигляді поверхні - тіла розсіяння. Теоретично визначено основні характеристики запропонованої функції, що відбивають найбільш загальні властивості зондувальних сигналів, і дано їх фізичну інтерпретацію;

4. Розроблено новий метод аналізу зондувальних сигналів з використанням функцій і тіл розсіяння, що дозволяє досить просто аналітичним шляхом або чисельно знаходити основні характеристики систем зондування, у яких вони використовуються. Отримано та досліджено тіла розсіяння комбінацій зондувальних коливань, що найчастіше використовуються;

5. Введено різні форми подання функцій розсіяння, еквівалентні параметри, що визначають властивості тіл розсіяння. Показано можливість використання цих функцій для аналізу процесів розсіяння не тільки на об'єктах, використовуваних при зондуванні атмосфери, але й на зосереджених радіолокаційних цілях;

6. Сформульовано характерне для простих акустичних сигналів радіоакустичних систем протиріччя між далекістю дії, з одного боку, і діапазоном далекостей і просторовою роздільною здатністю, з іншого. Показано, що властиві їм обмеження можуть бути усунені використанням складних акустичних коливань, що характеризуються сукупністю параметрів, які можна варіювати при оптимізації показників якості системи. Відзначено основні особливості використання складних акустичних сигналів у системах радіоакустичного зондування;

7. Вперше показано, що при визначених формах і параметрах зондувальних коливань на акустичному хвильовому пакеті (АХП) реалізується узгоджений з випромінюваним радіосигналом оптимальний узгоджений фільтр. Для складних сигналів у випадку узгодженої фільтрації спостерігається ефект стиску радіоімпульсів при розсіюванні на звуці;

8. Вперше сформульовано задачу і розроблено методи синтезу структур і оптимізації параметрів зондувальних сигналів радіоакустичних і акустичних систем. Проведено оптимізацію квазінеперервних зондувальних сигналів для расдарів і содарів. Отримано співвідношення для аналізу і чисельні оцінки, що характеризують енергетичні переваги використання запропонованих сигналів. Векторний сигнал з “платоподібним” тілом розсіяння;

9. Новим є подання процесу взаємодії в атмосфері електромагнітної й акустичної хвиль за допомогою апарата функціонального аналізу та теорії сигналів;

10. Розвиток одержали уявлення про розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері сукупністю протяжних об'єктів з випадковими параметрами - лінійними решітками, що заповнюють розсіювальний об'єм;

11. Вперше запропоновано розглядати розсіювальні об'єкти систем акустичного і радіоакустичного зондування як об'ємно-розподілені локаційні цілі. На підставі результатів аналізу одержаних моделей, що описують статистичні властивості каналів і прийманих сигналів, запропоновані нові алгоритми вимірювання параметрів турбулентності середовища, температури і швидкості вітру;

12. Запропоновано нові методи адаптації акустичних локаторів до завадової обстановки;

13. Вперше отримано основне рівняння радіоакустичного зондування, що не має обмежень на форми випромінюваних коливань, на відміну від відомих співвідношень, які чинні лише для простих сигналів з прямокутними або гауссовими обвідними;

14. Удосконалено методику оцінювання нелінійних енергетичних втрат в інтенсивних звукових хвилях;

15. Вперше розроблено підхід і теоретичні основи оптимізації пристроїв приймання й оброблення сигналів систем РАЗ. Запропоновано нові алгоритми оброблення - виявлення й оцінювання параметрів прийнятих коливань.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та висновки дисертації були подані й обговорені на 8 Міжнародних конференціях і симпозіумах, з яких 3 - Міжнародні симпозіуми з дистанційного акустичного зондування атмосфери й океану.

Публікації.

Основні результати дисертації опубліковані в 47 наукових працях, з яких 1 монографія, 31 стаття в закордонних і вітчизняних виданнях, включених до списку ВАК України, 3 патенти на винаходи, а також 10 доповідей, опублікованих у Працях Міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.



2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дисертації обґрунтовано актуальність вирішуваних задач, сформульовано наукову проблему, мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи.

Наведені відомості про особистий внесок автора, апробації, публікації, впровадження, зв'язки з науковими програмами.

Перший розділ містить огляд літературних джерел за темою дисертації. Розглянуто суть методів АЗ і РАЗ, відомі методики визначення метеопараметрів, існуючі системи зондування, стан науково-методичного апарату для їх аналізу і синтезу. Вибрано та обґрунтовано напрямок досліджень. Розвиткові методів і систем дистанційного зондування атмосфери з використанням звукових хвиль за останні десятиріччя приділяється значна увага. Розвинуто теорію методів, яка розглядає питання поширення та розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері, насамперед у працях радянських вчених О.М. Обухова, В.І. Татарського, О.І. Кона, М.О. Каллістратової та ін.

Розроблено методики визначення основних метеовеличин: температури, швидкості вітру, вологості, параметрів турбулентності, визначено основи і принципи побудови содарів і доплерівських расдарів. Значний внесок, особливо в теорію радіоакустичного зондування, внесли праці вчених ХНУРЕ, виконані під керівництвом проф. Є.Г. Прошкіна. Накопичено досить велику кількість результатів апаратурного характеру, що стосуються особливостей роботи станцій у різних частотних діапазонах та погодних умовах, можливостей застосування тих чи інших радіопристроїв, а також отримано численні геофізичні дані по розподілу метеопараметрів у різних місцях, областях, над різними континентами, океаном і т. ін.

Станції радіоакустичного та акустичного зондування активно залучаються до вирішення різноманітних наукових і прикладних задач, що потребують відомостей про атмосферні процеси.

Расдари будуються за бістатичною схемою з використанням імпульсного (не модульованого або частотно-модульованого) акустичного сигналу і неперервного монохроматичного радіосигналу, або за “профілерною” схемою, в якій передавальна і приймальна радіоантени об'єднані в одну - приймально-передавальну антену, а випромінюваний електромагнітний сигнал є імпульсним.

Найчастіше визначається температура середовища за результатами доплерівських вимірювань.

Акустичні локатори - содари реалізують, як правило, методику зондування в трьох різних напрямках за моностатичною чи бістатичною схемами. Вони дозволяють оцінювати швидкість і напрямок вітру за доплерівською частотою і параметри турбулентності (за амплітудою розсіяного сигналу). У содарах застосовують прості зондувальні сигнали й апертурні антени, а останнім часом - також фазовані антенні решітки.

Однак стан техніки зондування, що розробляється та виготовляється, не задовольняє постійно зростаючим потребам практики, які вимагають поліпшення основних показників якості систем. Перед розробниками гостро стоять проблеми оптимізації пристроїв оброблення прийманих коливань, вибору сигналів при проектуванні расдарів і содарів та ін.

Для виконання якісних вимірювань прості акустичні імпульси, що широко використовуються з початку розвитку методу РАЗ, потребують підстроювання частот сигналів під умову Брегга. Це суттєво зменшує оперативність зондування та ускладнює систему. Використання складних звукових сигналів дозволяє підвищити оперативність зондування, але призводить до появи значних за величиною і невипадкових за характером похибок вимірювання метеопараметрів. Значне збільшення потужності електромагнітного випромінювання (до одиниць МВт в імпульсі) не зменшує суттєво величину похибок.

Радіосигнали, що використовуються зараз, також неповною мірою відповідають поставленим вимогам. Неперервні сигнали потребують застосування двох антен, спеціальних заходів для їх “розв'язки” і навіть у цьому випадку не дозволяють реалізувати значну частину енергетичного потенціалу радіоканалу.

Випромінювання в профілерній схемі, де застосовується одна радіоантена, достатньо довгих імпульсів призводить до того, що мінімальна висота зондування становить 1-2 км при максимальній - 2-4 км.

Для содарів особливо гостро стоїть проблема підвищення завадозахищеності. Застосовувані протягом багатьох років інваріантні методи захисту шляхом розроблення спеціальних пристроїв звукопоглинання, використання різних укриттів, розміщення антен у ями і т. ін., значною мірою вичерпали себе. Тепер сподівання розробників пов'язані з методами адаптації систем до завадової обстановки, зокрема за допомогою антенних решіток, з використанням нових видів сигналів і методів їх оброблення. Вирішення задач, що стоять перед розробниками, потребує розвитку теорії систем РАЗ і АЗ. Зазначимо, що теоретичним і практичним питанням проектування апаратури в даній області приділяється недостатня увага - їм присвячено менше 10% всіх публікацій (для порівняння: геофізичним питанням - понад 60%). Обсяг і зміст цих публікацій свідчать про переважне “споживче” відношення до апаратури.

Основним фактором, що визначає недосконалість систем, є недостатнє теоретичне і методичне забезпечення діяльності інженерів, які займаються розробленням, дослідженням та експлуатацією апаратури. Наявну інформаційну прогалину компенсують використанням відповідних відомостей, методик та алгоритмів з класичної радіолокації, що розроблені для точкових розсіювальних об'єктів, або знаходять технічні рішення, спираючись на інженерну інтуїцію чи натурний експеримент. Застосовувані методи і рішення недостатньо враховують специфічні особливості даних систем, обумовлені унікальністю використовуваних локаційних об'єктів - акустичного хвильового пакету і розподілених “повсюдно” в середовищі природних турбулентних неоднорідностей.

Дотепер розробники і дослідники систем зондування одержували відомості про розсіяні сигнали із праць теоретиків, які розв'язували відповідні задачі методами теорії розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері. Однак, як показав тривалий період розвитку методів РАЗ та АЗ, такий підхід виявився малоефективним і не досить продуктивним, оскільки не дає розробникам достатньої апріорної інформації про розсіяні сигнали. А отже, не дозволяє вивчати властивості різних видів сигналів та будувати оптимальні алгоритми функціонування станцій.

Класична теорія радіолокаційних сигналів, що будується у припущенні точкового характеру цілі й основана на використанні поняття функції невизначеності, також не може бути успішно використана в цих умовах. У зв'язку з викладеним виникла і назріла нагальна об'єктивна необхідність створення нового апарату досліджень, який дозволяв би розв'язувати зазначені задачі. Вирішення поставленої наукової проблеми спрямовано на зняття, усунення протиріч між потребами практики і техніки зондування, з одного боку, і можливостями теорії - з іншого.

У другому розділі розроблено моделі розсіяння хвиль на природних та штучно створених за допомогою звуку неоднорідностях атмосфери.

При розв'язанні характерних для теорії систем задач доцільно мати більш простий (ніж той, що застосовувався раніше) і фізично наочний модельний підхід, оснований на поняттях і процедурах, що використовуються в теорії систем і теорії сигналів. Зондований об'єкт з цих позицій розглядається як елемент інформаційного локаційного каналу і подається деяким детермінованим або стохастичним оператором розсіяння.

При побудові теорії зондувальних сигналів застосовується системотехнічний методологічний підхід, що полягає, як відомо, у побудові адекватних моделей об'єктів, які вивчаються, і розробленні на їх основі методів дослідження, а також аксіоматичний методологічний підхід, оснований на виявленій у роботі закономірності, що виступає в цьому випадку як аксіома.

Закономірність виявлена у формуванні розсіяного на звуці радіосигналу, який являє собою взаємну кореляційну функцію по подовжній просторовій координаті взаємодіючих акустичного та електромагнітного коливань. При цьому електромагнітний сигнал, що входить до кореляційного інтеграла, стискається в два рази вздовж координати далекості і, відповідно, розтягується в таку саму кількість разів по осі просторових частот. Закономірність випливає з відомих співвідношень, одержаних теоретично, і підтверджується численними результатами експериментів. На цій закономірності основана кореляційна модель розсіяння.

Згідно із структурною моделлю, що описує розсіяння звукових хвиль на природних турбулентних неоднорідностях середовища, об'єм атмосфери подається сукупністю протяжних вздовж вектора розсіяння елементарних вторинних випромінювачів - решіток, що мають випадкові параметри. Отримано вирази для основних характеристик локальних областей, що забезпечують у визначених просторових межах інтегрування, накопичення розсіяного сигналу. Радіус поперечної кореляції решіток - порядку довжини хвилі, кількість їх у розсіювальному об'ємі досить велике - сотні й тисячі, час життя - одиниці секунд. Сигнали, одержані від окремих решіток, складаються за інтенсивністю. Структурну модель можна розглядати як розвиток відомої моделі “блискучих точок” на “гладкі, прозорі” середовища.

Третій розділ присвячений розробленню методів аналізу зондувальних сигналів, вивченню найбільш поширених на практиці і перспективних видів коливань. На основі кореляційної моделі введено двовимірну просторово-частотну взаємокореляційну функцію зондувальних електромагнітного, стиснутого в два рази, та акустичного сигналів:



Друге рівняння, де функція записана через просторові спектри, одержується з першого.

Співвідношення (1), (2) визначають результат трибічної взаємодії акустичного, електромагнітного сигналів та атмосфери. Оскільки вплив середовища тут представлений лише одним параметром, то це спрощує модель і робить її зручною для проведення “системних, інженерних” досліджень. Функція описує розсіяні сигнали у просторі і одержала назву функції розсіяння. Її особливість полягає в тому, що розсіяні та зондувальні коливання, які знаходяться у виразі (1), містять як аргумент просторову координату, а не час. Можливі також інші види подання функції розсіяння.

Дедуктивним шляхом, характерним для аксіоматичного підходу, доведені основоположні математичні властивості введеної функції:

1. Повний об'єм тіла розсіяння для будь-якої пари (комбінації) з акустичного та електромагнітного сигналів однаковий. Отже, підбиранням видів і параметрів зондувальних сигналів не можна змінити об'єм сигнального тіла розсіяння, можна лише дещо перерозподілити цей об'єм. З цього твердження виходить також, що усякий радіосигнал розсіюється на довільному акустичному коливанні, причому енергетична ефективність такої взаємодії (повна енергія розсіяння) для будь-якої пари сигналів однакова. Відмінності полягають лише в тонкій структурі тіл;

2. Двовимірна сигнальна функція розсіяння не має властивості центральної симетрії;

3. Значення функції знаходяться в діапазоні 0,1;

4. Функція Z2 не інваріантна відносно двовимірного перетворення Фур'є.

Тіло розсіяння містить в собі і дозволяє визначати основні характеристики системи зондування, у якій використовуються обрані сигнали. Аналіз цих перерізів дозволяє встановити вплив розстройки на ступінь зменшення амплітуди, на характер зміни обвідної розсіяного сигналу і, відповідно, на основні характеристики системи зондування, які залежать від амплітуди. Особливий інтерес викликає розсіяння при однакових видах (структурах) акустичного й радіосигналу і відношенні їхніх просторових протяжностей, коли на акустичному хвильовому пакеті реалізується узгоджений з випромінюваним радіосигналом оптимальний фільтр. Розсіяний сигнал в цьому випадку являє собою автокореляційну функцію випромінюваних електромагнітних коливань, а сигнальна функція розсіяння збігається за виглядом з класичною функцією невизначеності радіосигналу. Можливість реалізації узгодженого фільтра на просторовій неоднорідності виявлено вперше. Це явище може бути використано практично, наприклад, для виявлення на великих висотах випромінюваного акустичного збурення. Для обох складних сигналів у випадку узгодженої фільтрації спостерігається ефект стиснення розсіяного сигналу.

Значний інтерес має також дослідження деформації тіл розсіяння простих сигналів при зміні просторової частоти в межах акустичного імпульсу, наприклад, за лінійним законом. Із збільшенням девіації частоти головна пелюстка тіла розширюється вздовж осі і стає “порізаною”, що пояснюється появою у просторовому спектрі звукових коливань френелівських пульсацій. Відбувається також поворот тіла на кут, який збільшується із збільшенням, однак стиснення розсіяного сигналу в даному випадку не спостерігається. Поворот тіла проявляється як зміщення максимуму розсіяного сигналу за часом, що визначає помилку вимірювання часу запізнення чи далекості до цілі. Помилка збільшується із збільшенням 1S. Введено новий термін - “радіоакустичний сигнал”, під яким розуміємо векторний зондувальний сигнал, що складається з двох сигнальних компонент, одновимірних акустичного S та електромагнітного E коливань. Саме сукупність двох сигналів формує характеристики системи в цілому і разом вони утворюють власне тіло розсіяння. При заміні одного з них змінюється й тіло розсіяння та характеристики системи. Припустимо, що число можливих видів одновимірних зондувальних коливань n = 40, тоді кількість можливих векторних радіоакустичних сигналів та кількість відповідних тіл розсіяння, що визначається як число комбінацій. Наведені дані свідчать про специфіку та відносну складність задачі вибору й аналізу сигналів для радіоакустичних систем у порівнянні з аналогічною задачею в радіолокації. Розроблені уявлення дозволили дати зрозумілу фізичну інтерпретацію, пояснити та упорядкувати значну кількість наукових результатів і даних, накопичених за тривалий період розвитку методів. Особливо продуктивними в цьому відношенні виявились частотні зображення. Сформульовано характерне для простих акустичних сигналів протиріччя між далекістю дії системи, з одного боку, та діапазоном далекостей і роздільною здатністю, з іншого. Тобто, маючи єдиний незалежний параметр - тривалість, вони не можуть забезпечити бажаний розподіл тіла розсіяння за координатою. Властиві їм обмеження можна подолати використанням складних акустичних коливань, що характеризуються сукупністю параметрів, які можна варіювати при побудові потрібного тіла розсіяння та оптимізації показників якості системи. Це положення нагадує відому ситуацію в радіолокації, виходом з якої також стало застосування складних зондувальних сигналів. У роботі вивчені властивості і тіла розсіяння ЛЧМ, ФКМ звукових імпульсів (з симетричною і несиметричною, а також нелінійною ЧМ, різними законами фазової маніпуляції), утворені з простими радіоімпульсами.

У четвертому розділі розглянуто задачі і методи синтезу й оптимізації параметрів зондувальних сигналів, основані на використанні функції розсіяння. Вперше описано і представлено в термінах функціонального аналізу взаємодія в атмосфері електромагнітного та акустичного сигналів радіоакустичних систем, задачі аналізу й синтезу векторного радіоакустичного сигналу. При такому підході різні властивості, характеристики та особливості перетворення сигналів при розсіянні одержують наочний геометричний опис, відображення у вигляді геометричних образів, що суттєво спрощує розуміння та полегшує розв'язання поставлених задач.

Показано, що саме двовимірна взаємокореляційна функція F, яка характеризує спільну фізичну здатність акустичного та електромагнітного сигналів формувати розсіяну радіохвилю, визначає геометричну міру близькості даних сигналів у функціональному просторі при їхньому розузгодженні по далекості та в області хвильових частот.

Залежно від значення взаємокореляційної функції вектори електромагнітного та акустичного сигналів можуть збігатися (якщо сигнали еквівалентні), бути ортогональними, протилежними, або займати деяке проміжне положення. Між елементами множин сигналів та їх просторових спектрів існує взаємно однозначна відповідність. Простори сигналів і хвильових спектрів є ізометричними та еквівалентними, а використання того чи іншого з них при розгляді питань синтезу й аналізу радіоакустичних сигналів визначається лише міркуваннями зручності і простоти.

Вирішено задачу оптимізації параметрів імпульсного акустичного та квазінеперервного радіосигналу (послідовності радіоімпульсів з малою шпаруватістю) з метою формування неперервного розсіяного радіосигналу. Використання таких сигналів дозволяє позбутися проблеми розв'язки між передавальною і приймальною радіоантенами, характерною для неперервного випромінювання, та виконувати вимірювання на малих дальностях при використанні однієї антени.

Аналогічна задача формування неперервного розсіяного сигналу при квазінеперервному зондувальному розглядалась стосовно до бістатичних акустичних систем. Тут цілеспрямована деформація розсіяного сигналу досягається відповідною оптимізацією форм і параметрів зондувального сигналу й області розсіяння. Показано, що при виконанні певних умов розсіяний сигнал буде неперервним.

Аналіз енергетичних співвідношень показує, що при використанні запропонованих сигналів відношення сигнал-шум збільшується в реальних умовах на декілька порядків насамперед за рахунок усунення впливу прямого сигналу передавача на приймальний пристрій, що істотно підвищує якісні показники системи. Синтезовано радіоакустичний сигнал з “платоподібним” тілом розсіяння. Інваріантний захист систем РАЗ від змінюваних по трасі зондування метеоумов досягається внаслідок того, що запропонований акустичний сигнал, який має комплексну обвідну вигляду, відбиває в деякій смузі просторових частот як точкова ціль.

В роботі вперше вдалося описати процес розсіяння - взаємодії в атмосфері акустичної та електромагнітної хвиль за допомогою апарату теорії сигналів (а не електродинамічних методів). Це суттєво підвищило конструктивність розгляду, дозволило сформулювати нові задачі та розробити для них методи дослідження - аналізу й синтезу коливань, отримати нові конкретні результати.

П'ятий розділ присвячено дослідженню властивостей розсіяних сигналів, розробленню методів інтерпретації одержуваних даних та алгоритмів вимірювання метеопараметрів.

Досліджувались властивості розсіяних сигналів і розсіювальних об'єктів радіоакустичних та акустичних систем (РАС і АС) як об'ємно-розподілених цілей. Показано, що об'єкти характеризуються флуктуаціями положення ефективного центру розсіяння, що призводить до флуктуацій амплітуди відбитої хвилі (амплітудний шум), флуктуацій пеленга (кутовий шум), а також часу надходження сигналу (далекомірний шум).

В акустичному зондуванні розсіювальний об'єм моделювався сукупністю стохастичних решіток, в радіоакустичному зондуванні в об'ємі додатково використано когерентну решітку з детермінованими параметрами.

Отримано загальний вираз, що описує розподіл узагальненого параметра, вирази для розподілу далекомірного й кутового шумів розсіювального об'єму акустичних систем - це закон Ст'юдента з двома степенями свободи, а також вираз для далекомірного шуму акустичного хвильового пакета.

Для АХП показано, що при великому значенні параметра, що визначає співвідношення амплітуд сигналів когерентної решітки та випадкових розсіювачів, область флуктуацій узагальненого параметра невелика. Показано, що розсіювальний об'єм АС характеризується більшими значеннями помилок оцінки координат, породжуваних блуканням уявного центру, ніж АХП. Ненульовою є ймовірність виходу ефективного центру за межі об'єкта. Отримано результати, що визначають властивості і характеристики шумів об'єктів для найпоширеніших в АС та РАС видів функції, яка за фізичним змістом являє собою форму діаграми спрямованості антени або часову обвідну зондувального акустичного сигналу. Результати одержано для таких форм функції: рівномірної в заданому інтервалі, гауссової, трикутної.

Аналізувались дисперсії флуктуацій розглянутих видів шумів та можливості їх використання для визначення характеристик атмосфери. В АС інформативною є лише дисперсія амплітудного шуму, що визначається характеристиками турбулентності, в РАС інформативні дисперсії далекомірних й амплітудних шумів.

Одержані співвідношення дозволяють оцінювати характеристики шумів розсіювальних об'єктів АС і РАС зондування атмосфери та можуть використовуватись при визначенні інтегральної похибки результатів вимірювань, а також при інтерпретації експериментальних даних. Результати досліджень дозволять також грамотно проектувати системи автосупроводу розглядуваних об'єктів за координатами, правильно вибираючи ширину дискримінаційної характеристики і параметри згладжувальних фільтрів.

Отримані з використанням розглянутих локаційних модельних зображень результати збігаються з деякими відомими раніше результатами, отриманими методами теорії поширення і розсіяння хвиль у турбулентній атмосфері. Запропонований модельний підхід, що ґрунтується на розгляді досліджуваних розсіювальних об'єктів як об'ємно-розподілених локаційних цілей, розширив уявлення, які є в даній області, та збагатив методи дослідження, зробивши їх більш доступними для спеціалістів в області систем. Знайдені в роботі вирази для інтенсивностей когерентної і флуктуаційної складових поля, розсіяного акустичним хвильовим пакетом, дозволяють прослідкувати залежності зазначених компонентів від значень параметрів атмосфери та технічних характеристик системи зондування, глибше уяснити енергетичні особливості расдарів і статистичні властивості прийманих сигналів. Використовуючи співвідношення для когерентної і некогерентної складових, розроблено алгоритм визначення параметрів турбулентності атмосфери - структурної характеристики покажчика заломлення звукових хвиль і зв'язаних з нею структурних характеристик динамічної й температурної турбулентності.

Алгоритм апробовано на практиці. Розроблено також алгоритм вимірювання параметрів турбулентності за розмірами “плями” розсіяного сигналу, яка збільшується із відстанню. Показано, що вирази для оброблення результатів вимірювань у комплексній системі содар-расдар, з урахуванням модифікованого виду основного операційного виразу акустичного зондування, з якого визначається швидкість вітру, являє собою систему рівнянь відносно невідомих швидкості вітру і температури:

Де:

f - доплерівське зміщення частоти радіо та акустичного сигналів відповідно;

fe - частота зондувального радіосигналу;

fs - частота випромінюваного звуку;

ce - швидкість поширення радіохвиль;

A - коефіцієнт, який слабо залежить від складу повітря та його вологості.

Основане на наявному взаємозв'язку спільне оброблення результатів вимірювань дозволяє значно зменшити вплив невизначеностей коефіцієнта A і параметрів атмосфери, що входять у вирази, та підвищити точність визначення температури і швидкості вітру.

Шостий розділ присвячений питанням побудови систем, оптимізації алгоритмів оброблення коливань, вибору видів і параметрів зондувальних сигналів. В результаті аналізу особливостей роботи содарів і властивостей відомих алгоритмів адаптивної просторової вибірності показано, що найкраще використовувати в содарах, оснащених антенними решітками, алгоритм безпосереднього обернення кореляційної матриці завад, який функціонує за критерієм максимуму відношення сигнал-шум.

Показано, що поле зовнішніх акустичних завад характеризується суттєвою нерівномірністю та мінливістю як за кутовими координатами, так і за частотою, що породжує значний просторово-частотний ресурс, який можна використати для адаптації акустичних локаторів до завадової обстановки, підвищення їхніх можливостей та наближення характеристик до потенційних. Тому у содарах, які використовують антенні решітки, доцільно не лише формувати розподіл нулів діаграми спрямованості в напрямках на джерела завад, як це прийнято, але й вибирати також кути випромінювання корисного сигналу з метою мінімізації потужності завад чи максимізації відношення сигнал-шум на виході решітки.

Розроблений алгоритм просторової адаптації содарів дозволяє, використовуючи кореляційну матрицю завад R, обчислювати залежності відношення сигнал-шум.

Розроблено також алгоритм частотної адаптації акустичних локаторів до завадової обстановки, який дозволяє суттєво підвищити відношення сигнал-шум на виході системи (до 30 дБ і більше). Алгоритм містить поточний аналіз розподілу завад по частоті в діапазоні 1-5 кГц, де працюють содари, і вибір для зондування частоти з найменшим значенням інтенсивності завад. Внаслідок цього підвищується далекість зондування й точність вимірювання шуканих параметрів атмосфери. Прагнення до постійного підвищення потужностей випромінюваних звукових сигналів з метою підвищення далекості дії та збільшення відношення сигнал-шум на вході систем зондування призводить до істотного прояву нелінійних ефектів, які супроводять поширення в атмосфері звукових хвиль скінченої амплітуди. Спостерігається деформація профілю випромінюваної хвилі, яка призводить до додаткового нелінійного поглинання звуку, що суттєво перевищує молекулярне поглинання хвиль малої амплітуди. Показано, що з відстанню головна пелюстка діаграми спрямованості помітно розширюється і “сплощується”, тобто стає більш пласкою в районі максимуму за рахунок більших енергетичних втрат в цьому напрямку. Таким чином, діаграми спрямованості акустичних антен на випромінювання, що формується в нелінійному режимі, і на приймання, внаслідок досить малої амплітуди розсіяного сигналу, мають різний вигляд.

Вперше проаналізовано вплив інтенсивної шумоподібної звукової хвилі, утвореної, наприклад, злітаючим літаком, на характеристики зондувального акустичного сигналу в результаті їх взаємодії у середовищі. Відбувається зміна початкової форми спектральної густини випромінюваних коливань, формування нових областей спектра, прилеглих до несучий частоти сигналу, а також додаткове ослаблення звукової хвилі, т. зв. “виснаження” сигналу шумом. Запропоновано удосконалену методику оцінювання нелінійних енергетичних втрат у звукових хвилях і вибору потужності звукового випромінювання, при якій вплив розглянутих нелінійних явищ виявляється незначним.

Модифіковано основне рівняння - формула далекості радіоакустичного зондування. Члени, що описують розсіяння радіохвилі на звуці, представлені за допомогою функції розсіяння у вигляді, який дозволяє провадити енергетичний розрахунок та аналіз для будь-яких форм комплексних обвідних акустичного й електромагнітного коливань, в тому числі і для складних сигналів. Показано, що вживані зараз в радіоакустичних системах алгоритми оброблення прийманих сигналів, запозичені з радіолокації, не адекватні процесам, що відбуваються в радіоакустичному локаційному каналі, оскільки не враховують зміни структури сигналу при розсіюванні на звуковій посилці. Це призводить до суттєвого погіршення показників якості станцій, зокрема, точності вимірювання температури (похибка зміщення може досягати одиниць градусів).

Для одержання оцінок максимальної правдоподібності вимірюваного параметра опорні сигнали в різних точках діапазону можливих значень даного параметра мають відрізнятися в загальному випадку виглядом, формою, а не бути копією випромінюваного радіосигналу, як це прийнято. Форми опорних коливань багатоканального пристрою оброблення слід визначати за допомогою функції розсіяння, яка відображує особливості перетворення сигналів у каналі, тобто вони мають являти собою реалізації функції розсіяння.

При цьому випадкові, нормальні помилки вимірювань, як показав аналіз, досить добре описуються відомими співвідношеннями для потенційних похибок оцінювання відповідних параметрів.

Синтезовані в даній роботі алгоритми можна розглядати як узагальнення результатів теорії радіосистем на випадок, коли форма сигналу при розсіянні перетворюється за детермінованим законом. Якщо розсіювальний об'єкт вироджується в точкову ціль, то прийманий і опорний сигнали стають копією зондувального, випромінюваного радіосигналу. Запропоновані процедури оброблення зводяться в даному випадку до відомих раніше алгоритмів оцінювання параметрів коливання.

Оцінювання амплітуди, фази, доплерівської частоти, часу приходу сигналу, розсіяного акустичним хвильовим пакетом, як і його виявлення, також повинні виконуватися з урахуванням описаних перетворень у каналі. Наприклад, система РАЗ для вимірювання температури, яка реалізує такий підхід оброблення, може називатися доплерівською тільки з деякими застереженнями, оскільки вимірювання власне доплерівської частоти тут не провадиться. Класичні радіолокаційні алгоритми оброблення, основані на використанні кореляторів чи оптимальних фільтрів, узгоджених з випромінюваним радіосигналом, забезпечують за цих умов за зрозумілими причинами надто гірші значення показників якості.

Використання запропонованих методів оброблення та здобування інформації з прийманих коливань дозволяє усунути систематичні похибки оцінювання метеопараметрів, характерні для систем РАЗ. Згідно з цим при випромінюванні простих акустичних імпульсів підстроювання частот під умову Брегга з метою усунення вказаної похибки не потрібне. За необхідності може виконуватися більш грубе (і технічно менш складне) адаптивне підстроювання частот для збільшення амплітуди розсіяного сигналу на вході приймача.

Розроблено рекомендації щодо вибору видів і параметрів зондувальних сигналів при проектуванні расдарів, що основані на виконаних у роботі дослідженнях. Показано, що задача вибору сигналів для радіоакустичних систем має загальні риси як з відповідною задачею радіолокаційних систем, так і систем зв'язку. З останньою задачею її об'єднує необхідність вибору ансамблю з двох сигналів - акустичного та електромагнітного, який також характеризується необхідними взаємокореляційними властивостями. Важливе значення має вибір класу акустичного імпульсу - простого чи складного - та його виду, які справляють значний вплив на структуру й основні характеристики системи. При випромінюванні ЛЧМ акустичного імпульсу доцільно використати “передспотворення” структури коливання у вигляді спеціальної добавки до закону частотної модуляції з метою зменшення пульсацій просторового спектра. Оптимізована послідовність радіоімпульсів, що має малу шпаруватість, у сполученні з модифікованим звуковим ЛЧМ імпульсом або сигналом, який має комплексну обвідну вигляду sin(r), забезпечують при одній радіоантені високу оперативність, просторову роздільну здатність і точність вимірювань. Особливо актуальне застосування таких сигналів у комбінованих системах “профілер-РАЗ” внаслідок розширення діапазону досліджуваних висот, насамперед в бік малих дальностей, і підвищення точності вимірювань. У перспективних станціях слід застосовувати сигнали, які забезпечують оптимальну фільтрацію і стиснення імпульсів у середовищі. Енергетичні параметри коливань треба визначати, користуючись запропонованою формулою дальності та методикою вибору потужності звуку. Створено передумови для адаптивної побудови (вибору) сигналів у процесі функціонування системи, виходячи з зовнішньої обстановки, що створилася.



ВИСНОВКИ

Дисертація містить теоретичне узагальнення та нове розв'язання наукової проблеми, яка полягає у створенні підходів, моделей і методів опису та дослідження взаємодії зондувальних сигналів радіоакустичних й акустичних систем із середовищем та вирішенні на їх основі теоретичних і практичних задач аналізу, оптимізації, адаптації та побудови систем даного класу. Основні результати роботи полягають ось у чому:

1. Виявлено тенденції розвитку систем зондування атмосфери, що використовують звукові хвилі, визначено напрями розвитку науково-методичного апарату і сформульовано основні наукові задачі, які випливають з якісного стану техніки та теорії зондування. Показано необхідність створення для розвитку теорії і практики підходів та методів дослідження, побудованих з урахуванням характерних особливостей даних систем, обумовлених унікальністю розсіювальних об'єктів. Ключовими є проблемні питання, пов'язані з дослідженням властивостей та обробленням сигналів;

2. Виявлено закономірність у формуванні розсіяного на звуці радіосигналу як взаємну кореляційну функцію по далекості випромінюваних електромагнітного та акустичного коливань. Закономірність випливає з відомих співвідношень, одержаних теоретично, і підтверджується численними експериментальними результатами. Створено адекватні конструктивні моделі інформаційних локаційних каналів - радіоакустичного та акустичного. Введено двовимірну взаємокореляційну функцію акустичного й радіосигналів, теоретично визначено її основні властивості, що передають найбільш загальні характеристики розсіяних сигналів. Задача розсіяння електромагнітної хвилі на звуці подана за допомогою апарату теорії сигналів і функціонального аналізу, внаслідок чого значно підвищується конструктивність розгляду. Функція розсіяння, “увібравши” в себе властивості середовища взаємодії та характеристики зондувальних акустичного й електромагнітного коливань, дозволяє досить просто знаходити вид розсіяного сигналу, який відповідає різноманітним умовам. Завдяки цьому відкриваються широкі можливості для дослідження різних видів зондувальних коливань і розвитку теорії систем, що розглядаються, в цілому;

3. Розроблено методи дослідження зондувальних акустичних та електромагнітних сигналів. Подання функції розсіяння в різних математичних формах і графічно у вигляді поверхонь - тіл розсіяння, дозволяє, використовуючи різні види перерізів тіл, здійснювати ефективний аналіз зондувальних векторних радіоакустичних сигналів. Значні можливості відкриваються у зв'язку із введенням частотних зображень. Вивчено види сигналів, які найчастіше використовуються на практиці, та перспективні. Сформульовано протиріччя, характерне для простих акустичних сигналів расдарів, та визначено основні особливості використання складних акустичних коливань. Показано можливість формування на неоднорідності, що створює звукова хвиля, оптимального фільтра, узгодженого з випромінюваним радіосигналом. Для складних сигналів у випадку узгодженої фільтрації спостерігається ефект стиску імпульсів;

4. Розроблено методи синтезу форм і оптимізації параметрів зондувальних акустичних та електромагнітних сигналів за заданою функцією розсіяння, яка відображує вимоги до каналу поширення. Вирішено задачу оптимізації параметрів квазінеперервних зондувальних коливань для расдарів і содарів, що дозволило одержувати неперервний розсіяний сигнал при випромінюваному імпульсному та поліпшити характеристики бістатичних і моностатичних систем. Синтезовано новий векторний радіоакустичний сигнал із “платоподібним” тілом розсіяння, який забезпечує інваріантність до змінюваних зовнішніх умов;

5. Представлено моделі, що описують блукання ефективних центрів відбиття розсіювальних об'єктів радіоакустичних і акустичних систем, які супроводжуються флуктуаціями амплітуди вторинної хвилі (амплітудний шум), флуктуаціями пеленга (кутовий шум), а також часу приходу сигналу (далекомірний шум). Отримано вирази для когерентної і флуктуаційної інтенсивностей розсіяного радіосигналу, які описують амплітудний шум акустичного хвильового пакета. Відомості, отримані за допомогою запропонованих моделей, необхідні при аналізі і побудові систем, розширенні їхніх інформаційних можливостей. Розроблено методи вимірювання параметрів турбулентності атмосфери за розмірами “плями” й за статистичними характеристиками прийманого радіосигналу. Запропоновано алгоритм спільного оброблення одержуваних даних у комплексній системі расдар-содар, який дозволяє істотно зменшити похибки визначення температури атмосфери і швидкості вітру;