О возможности создания орбитальной радиолокационной станции проникающего зондирования

Определен достаточный энергетический потенциал орбитальных радиолокаторов подповерхностного зондирования. Оценено влияние ионосферы на точность измерений. Перспективы создания радиолокационных станций проникающего зондирования в метровом диапазоне волн.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 03.11.2018
Размер файла 226,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

О возможности создания орбитальной радиолокационной станции проникающего зондирования

А.Г. Оганесян, И.Б. Чайковский

Государственный университет "Львовская политехника"

Определён достаточный энергетический потенциал орбитальных радиолокаторов подповерхностного зондирования. Оценено влияние ионосферы на точность измерений.

Институты и фирмы многих стран ведут исследования и проектные работы по созданию разнообразных радиолокационных станций проникающего (подповерхностного) зондирования - РЛСПЗ. В большинстве случаев это приборы контактного типа со сверхширокополосным зондирующим сигналом [1,2]. Испытаны и самолётные варианты РЛСПЗ [3,4]. Особый же интерес представляют орбитальные РЛСПЗ, которые ещё предстоит разработать. С их помощью можно было бы, прежде всего, вести постоянное наблюдение за толщиной дрейфующих льдов Арктики и Антарктиды, изменением уровня залегания грунтовых вод в пустынных районах и т. д.

Тем не менее, отдельные фирмы предлагают только контактные РЛСПЗ [5]. Самолётные РЛСПЗ пока не вышли из стадии экспериментальных разработок. Данные же по орбитальным РЛСПЗ просто отсутствуют.

Первый (и последний) промышленный вариант радиолокационного измерителя толщины льдов, идея которого предложена и разработана в Рижском институте инженеров Гражданской авиации [2], получил название "Аквамарин" и использовался для разведки ледовой обстановки Северного Ледовитого океана. Он работал по принципу обычного импульсного радиовысотомера с индикатором типа А. Диапазон измерений толщины льда (без неоднозначности) составлял 0…2 м, а максимальная высота полёта, позволяющая выполнять измерения (проверенная экспериментально) достигала 500 м. Среднеквадратичная погрешность измерений толщины дрейфующих морских льдов на этой высоте составила примерно 16 %. Эти данные позволяют оценить энергетический потенциал "Аквамарина".

Воспользуемся уравнением дальности радиолокации в следующей форме

(1)

где Nпрд - мощность зондирующего сигнала, Nпрм- чувствительность приёмника, т. е. минимальная мощность отражённого сигнала, обеспечивающая работоспособность РЛСПЗ с заданной точностью; G - коэффициент направленного действия антенны в вертикальном направлении; n - средний коэффициент отражения; H - высота полёта. Выделим из этого уравнения энергетический потенциал:

(2)

или, в децибелах:

С достаточной для оценок точностью положим n=1 и G=1, тогда

(3)

Для предельной высоты Н=500 метров, потенциал РЛСПЗ "Аквамарин" составляет примерно 71 дБ. На высоте 10 км, при прочих равных условиях, потребуется - 97 дБ, а орбитальный вариант на высоте 600 км - уже почти 133 дБ. Это много и трудно осуществимо. По-видимому, именно по этой причине фирмы предлагают только контактные РЛСПЗ. Есть, правда, предложение Санкт-Петербургского НИИ Радиоаппаратуры на разработку (НИОКР) авиационного варианта РЛСПЗ, построенного "на принципах построения без несущей частоты" [7]. Таким образом, речь идёт о сверхширокополосном зондирующем сигнале, формируемом, судя по всему, методом ударного возбуждения антенны [6]. В этом случае зондирующий импульсный сигнал хорошо моделируется известным импульсом Максвелла

(4)

Понятно, спектр этого импульса сплошной и значимая его часть должна находиться в пределах окна прозрачности дрейфующих морских льдов - 25…200 МГц, что соответствует длительности импульса около 5 нс. Таков примерно и зондирующий сигнал "Аквамарина". Его энергия "размазана" по всему диапазону прозрачности льда. Спектр отражённого сигнала также сплошной и занимает весь диапазон прозрачности. Получить высокую чувствительность приёмника прямого усиления для широкополосного сигнала - большая проблема. Следовательно, сложно обеспечить и достаточный потенциал для зондирования с больших высот. Выполним ориентировочный расчёт.

Мощность шума на выходе приёмника отражённых сигналов равна [8]:

N0=QkT0K0D Fпрм ,

или, в децибелах (по отношению к 1 Вт):

N0[дБ]=10lgQ+10lgk+10lgT0+10lgK0+10lgD Fпрм ,

где Q - средний коэффициент шума, k=1,38Ч 10-23 Дж/oК - постоянная Больцмана, T0 =290 oК - номинальная (стандартная ) температура, K0 - эффективный коэффициент усиления приёмника, D Fпрм - эффективная полоса приёмника. Допустим, что коэффициент шума приёмника Q равен единице, то есть источником шума величиной kT0 является только антенна, тогда

N0[дБ]= 10lgK0+10lgD Fпрм -204. (5)

Для оценки погрешностей радиолокационных станций проникающего зондирования (РЛСПЗ) была разработана цифровая имитационная модель. Она позволила оценить минимальное отношение сигнал/шум S=21 дБ для импульсной РЛСПЗ, достаточное для измерения толщины дрейфующих морских льдов с погрешностью, не превышающей 15%.

Определим теперь чувствительность приёмника в дБ как

10lgPпрм=10lgN0+S+V

где V =10lg[(D Fпрд+2FДопл.)/D Fпрм) - отношение эффективной ширины спектра зондирующего сигнала с учётом доплеровского сдвига к эффективной полосе приёмника в дБ, и запишем потенциал

PдБ=10lgNпрд-10lgNпрм=10lgNпрд-10lgN0-S-V .

Подставляя сюда (5), получаем

NдБ=10lgNпрд-10lgNпрм=10lgNпрд+10lgD Fпрм -10lgK0-S-V+204,

(6)

Оценим теперь необходимую мощность зондирующего сигнала, эффективная ширина спектра которого находится в интервале 25…200 МГц, полоса приёмника - в этом же диапазоне (т. е. V=0) с эффективным коэффициентом усиления 30 дБ, допустимое отношение сигнал/шум - 21 дБ, потенциал - 71 дБ. Вот результаты:

Ширина спектра зондирующего сигнала

175 МГц

Полоса пропускания приёмника

175 МГц

Отношение полос Прд/Прм

0 дБ

Мощность передатчика на высоте 500м:

0,43 дБ

1,105 Вт

10 000 м:

26,43 дБ

440 Вт

600 000 м:

62,01 дБ

1,6 МВт

Теперь совершенно очевидна причина, почему все предлагаемые фирмами РЛСПЗ - контактного типа: не хватает мощности передатчика. И хотя большинство РЛСПЗ импульсного типа, однако, скважность импульсов очень мала, всего 5…7, поэтому речь идёт не об импульсной, а о средней мощности. Одно дело - всего 1 Вт на высоте 500 м, и совсем иное дело 1600000 Вт фактически непрерывного излучения на орбите.

Индикаторами первых импульсных РЛСПЗ служили стробоскопические осциллографы, позволяющие сжимать спектр периодических сигналов. Недостатки их хорошо известны. Это, прежде всего, большой уровень вносимых шумов, особенно при флюктуирующих сигналах. Разработчики РЛСПЗ "Аквамарин" нашли способ избавиться от стробоскопического приёма. Зондирующий сигнал формировался ударным возбуждением широкополосной антенны - диполя. Приём отражённого сигнала выполнялся путём синхронного детектирования и представлял собой сумму семи синусоид

(7)

амплитуды Ak и фазы которых устанавливал оператор. Нижняя частота в спектре f0 = 25 МГц. Здесь m » 15Ч105 - коэффициент сжатия спектра отражённого сигнала. Полоса пропускания каждого из семи синхронных детекторов--D--Fсд » 100 Гц, поэтому общая полоса принятого сигнала D Fпрм» 700 Гц. Таким образом, из всего спектра отражённого сигнала шириной 175 Мгц с помощью гребенчатого фильтра вырезалось всего 700 Гц. Поскольку уменьшение мощности отражённого сигнала, очевидно, сопровождается таким же снижением и шума (напомним, что коэффициент шума принят равным единице), то это не приводит к изменению мощностей зондирующих сигналов:

Ширина спектра зондирующего сигнала

175 МГц

Полоса пропускания приёмника

700 Гц

Отношение полос Прд/Прм

54 дБ

Мощность передатчика на высоте 500 м:

0,43 дБ

1,105 Вт

10 000 м:

26,43 дБ

440 Вт

600 000 м:

62,01 дБ

1,6 МВт

Не стоило бы приводить эти расчёты, которые способен выполнить студент, прослушавший курс основ радиолокации, если бы не одно обстоятельство. Дело в том, что даже умудрённые опытом разработчики "Аквамарина", завороженные, по-видимому, терминами "видеоимпульсное зондирование", "сверхширокополосный сигнал", не заметили, что, стараясь получить на экране изображение сверхширокополосных отражённых сигналов, потеряли по пути всю их "сверхширокополосность"! Но они были пионерами исследований РЛСПЗ. И это было четверть века назад. Но и сегодня не замечают того, что, излучая и принимая сверхширокополосные сигналы, реально используют лишь незначительную часть их спектров. Вот поэтому нет ни авиационных, ни орбитальных РЛСПЗ - практически только контактные.

Решение же проблемы до примитивности простое: спектр зондирующего сигнала и частотная характеристика приёмника должны быть согласованы. Классика радиотехники. И если сигнал принимается гребенчатым фильтром, реализованным, например, набором синхронных детекторов, равномерно распределённых по окну радиопрозрачности дрейфующих льдов, то и спектр амплитуд зондирующего сигнала должен быть таким же. Для "Аквамарина" оптимальным будет зондирующий сигнал вида [7] при m=1, суммарная ширина спектра которого практически равна нулю и его нетрудно синтезировать из синусоид, что, кстати, и было предложено достаточно давно Л. А. Робинсоном [9]. Однако и Робинсон, почему-то зондирующий сигнал с гребенчатым спектром принимал широкополосным усилителем и проигрывал в энергетике точно так же, как и разработчики "Аквамарина".

Вот результаты согласования спектров при прочих равных условиях:

Ширина спектра зондирующего сигнала

700 Гц

Полоса пропускания приёмника

700 Гц

Отношение полос ПРД/ПРМ

0 дБ

Мощность передатчика на высоте 500 м:

-53,55 дБ

4,42 мкВт

10 000 м:

-27,55 дБ

1,76 мВт

600 000 м:

8,03 дБ

6,36 Вт

Вот такой РЛСПЗ можно установить и на спутнике. Однако, приверженцы "сверхширокополосных" методов зондирования могут не согласиться с таким решением проблемы, поскольку, на первый взгляд, сигнал, с шириной спектра всего в 700 Гц, не может быть сверхширокополосным (не раз встречался с таким возражением). Тут уместно напомнить, что сигнал считается узкополосным, если

(8)

в противном же случае - широкополосным. Предельное значение "сверхширокополосности" наступает при fmin=0, когда q=2. Если все частоты в (8) поделить на m, то значение q не изменится. Не изменится и форма сигнала. Изменится только в m раз масштаб времени. Но сигнал останется сверхширокополосным.

Существует ещё одна проблема орбитальных РЛСПЗ, которую нельзя оставить без внимания - это влияние ионосферы. Из самых общих соображений можно ожидать, что влияние это будет незначительным. В самом деле, допустим, что РЛСПЗ измеряет толщину льда по времени запаздывания сигнала, отражённого от нижней поверхности льда, относительно сигнала, отражённого верхней поверхностью льда. Если не учитывать дисперсионных свойств, то ионосфера повлияет на оба этих сигнала одинаково и их взаимное положение во времени не изменится.

Оценка влияния ионосферы на точность измерения толщины льдов была выполнена тоже на имитационной модели. Для этого использовались реальные отражённые сигналы, записанные при полётах над дрейфующими льдами Арктики. Эти сигналы "пропускались" через модель, параметры которой взяты из книги [8]. Далее оценивались среднеквадратичная и систематическая погрешности, вносимые ионосферой с высоты орбиты 600 км относительно величин, измеренных при полёте на высоте 500 м. Полученные результаты показаны на рис. 1.

Трудно заметить разницу между волновыми полями сигналов на высотах 500 м и 600 000 м. Отличие становится заметным лишь при сравнении самих отраженных сигналов (они показаны в правом верхнем окне рис.1). Принятый орбитальным РЛСПЗ сигнал дважды прошёл через ионосферу. Он отличается от своего аналога с высоты 500 м более пологими очертаниями и несколько сдвинутыми положениями максимумов. Это вызвано тем, что ионосфера обладает дисперсионными свойствами, поэтому при распространении сигналов через ионосферу время запаздывания составляющих спектра оказывается различным, зависящем от ширины спектра, частоты и интегральной плотности электронов вдоль траектории распространения сигнала. Вносимые ионосферой запаздывание и затухание как функции частоты показаны в правом нижнем окне рис.1.

Рис.1. Результаты моделирования влияния ионосферы на точность измерения толщины дрейфующих морских льдов

Там же показан и спектр амплитуд зондирующего сигнала, формируемый методом ударного возбуждения антенны.

Искажения сигнала приводят к тому, что отсчёты толщины льда, полученные на высоте 500 м и 600 км, несколько отличаются. Среднее значение толщины льда на расстоянии 269 м вдоль линии полёта с высоты 500 м оказалась равной 1,28 м, а с высоты 600 км - 1,1 м. Среднеквадратичное отклонение между этими рядами измерений составило около 16%. Но вот что интересно: оценка погрешности измерений методом соседних отсчётов [10] на высоте 500 м составляет 14,8 %, а на высоте 600000 м - только 7,3 %! Выходит, ионосфера уменьшает погрешность измерений? Как ни странно, но это, в данном случае, именно так. Дело в том, что ионосфера играет роль сглаживающего фильтра, который, при коррелированных отсчётах толщин льда, естественно улучшает точность измерений. Минимальную величину интервала корреляции можно оценить как размер отражающей сигнал площадки, в пределах которой толщина льда усредняется. Размер этой площадки при зеркальном отражении (для измерения толщины льда используется именно зеркальная компонента отраженного сигнала) равен примерно величине первой зоны Френеля:

(9)

где l - длина волны. На высоте 500 м R=116 м, а на 600 км уже 4025 м. Таким образом, на расстоянии 269 м укладывается всего лишь два интервала корреляции, т. е. отражённые сигналы сильно коррелированны вдоль трассы полёта. Так же коррелированны и полученные на их основе отсчёты толщины льда.

Ширина полосы приёмника, достаточная для приёма отражённого сигнала, определяется доплеровским сдвигом частоты отражённого сигнала. Зная высоту полёта и диаметр отражающей площадки (9), её нетрудно оценить:

орбитальный радиолокационный станция зондирование

где v - горизонтальная скорость полёта, С=3? 108 м/с - скорость света, I - количество синусоид в спектре зондирующего сигнала. Используя прежние исходные данные, для скорости полёта 360 км/час на высоте 500 м получаем достаточную полосу приёмника 108 Гц. Для орбитального варианта при скорости 8000 м/с и высоте 600 км - 250 Гц. Кстати, уменьшая полосу приёмника ниже этих границ, можно существенно уменьшить размеры отражающей площадки в направлении полёта, то есть улучшить разрешающую способность. Однако, это уже другая тема.

Полученные результаты позволяют сделать два основных вывода:

· Оптимальный для проникающего зондирования сигнал имеет гребенчатый спектр.

· Возможно создание авиационных и орбитальных радиолокационных станций проникающего зондирования в метровом диапазоне волн.

Литература

1. Е.Покровский, В.Щербак. Сверхширокополосная импульсная электродинамика и возможности её применения. - Санкт-Петербург: "Компания "Аском", 1997, 37 с.

2. М.И.Финкельштейн, В.И.Карпухин, В.А.Кутев, В.Н.Метёлкин Подповерхностная радиолокация.-М.: Радио и связь, 1994, 216 с.

3. В.В.Богородский, А.Г.Оганесян. Проникающая радиолокация морских льдов с цифровой обработкой информации.-С.Петербург: Гидрометеоиздат, 1987, 342 с.

4. А.И.Калмыков, И.М.Фукс. О контрастах радиолокационных отражений при подповерхностном дистанционном зондировании. Доповіді національної академії наук України, № 2, 1995, с. 65-68.

5. Научно-производственная фирма "Радарные системы", http://www.radsys.lv

6. Cook J. C. Proposed monocycle-pulse VHP radar for airborne ice and snow measurement. - Trans. Amer. IEE, pt. 1. Commun. and Electronic, 1960, vol. 79, p. 588-594.

7. С.-Петербургский НИИ Радиоаппаратуры, http://www.vimi.ru

8. Современная радиолокация. Пер. с англ. под ред. Кобзарева Ю. Б. Изд-во "Советское радио", 1969, 704 с.

9. Робинсон Л. А., Уэйр У. Б., Юнг Г. Л. Установление местоположения и распознавание неоднородностей в диэлектрических средах с помощью синтезируемых ВЧ-импульсов. - Труды института инженеров электротехники и радиоэлектроники, США, 1974, т. 62, с. 42-52.

10. В.В.Богородский, А.Г.Оганесян. О погрешности методики лётных испытаний радиолокационных измерителей толщины льда. - ЖТФ, т. 55, вып. 9, 1985, с. 1159-1162.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Радиоакустический метод зондирования атмосферы. Проверка условия Брэгга. Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования. Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты. Конфигурация антенной системы.

    дипломная работа [739,2 K], добавлен 22.09.2011

  • Понятие данных дистанционного зондирования. Применение географических информационных систем, позволяющих эффективно работать с пространственно-распределенной информацией. Виды орбит искусственных спутников Земли. Классификация спутников и их параметры.

    реферат [358,1 K], добавлен 09.02.2011

  • Определение основных параметров радиолокационной станции, ее оптимизация по минимуму излучаемой мощности и коэффициенту шума УВЧ приемника в диапазоне длин волн. Выбор и обоснование активного элемента передатчика. Разработка функциональной схемы станции.

    курсовая работа [511,3 K], добавлен 11.10.2013

  • Основные тенденции развития рынка данных дистанционного зондирования Земли в последнее десятилетие. Современные космические ДДЗ высокого разрешения. Спутники сверхвысокого разрешения. Перспективные картографические комплексы Cartosat-1 и Cartosat-2.

    презентация [25,6 M], добавлен 23.02.2015

  • Свойства электромагнитных волн, лежащие в основе работы радиосистем извлечения информации. Измерение расстояния, угловых координат и радиальной скорости. Влияние кривизны земной поверхности и атмосферной рефракции на точность радиолокационных наблюдений.

    реферат [1,7 M], добавлен 13.10.2013

  • Шумовая температура любого внешнего источника шумов. Энергетический потенциал радиолокационной станции. Дальность действия запросно-ответной станции наблюдения. Влияние отражения ЭМВ от поверхности Земли на дальность радиолокационного наблюдения.

    реферат [738,8 K], добавлен 13.10.2013

  • Высокочастотная система передачи данных. Технические характеристики HFDL. Технология выбора канала связи в сети. Использование динамического управления частотами наземных станций на основе глобальной системы зондирования. Схема обмена пакетными данными.

    курсовая работа [608,9 K], добавлен 24.05.2016

  • Изучение условий и особенностей работы радиолокационной станции обнаружения, определение ее максимальных параметров. Ознакомление с методом проектирования радиолокационных станций с помощью ЭВМ. Произведен расчет для медленных релеевских флюктуаций.

    лабораторная работа [209,4 K], добавлен 17.09.2019

  • Классификация радиолокационной станции управления воздушным движением и воздушных объектов и их краткая характеристика. Особенности построения трассовых радиолокационных станций. Система синхронизации и формирования меток азимута трассовой станции.

    дипломная работа [2,5 M], добавлен 28.11.2022

  • Инженерные расчеты характеристик современных радиолокационных станций. Дальность действия, коэффициент усиления антенны, разрешающая способность, однозначность и точность измерений. Модель обработки пачки импульсов с шумом, поступающей на вход приемника.

    контрольная работа [897,9 K], добавлен 25.05.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.