Содержание к диссертации
1 Анализ внешних аддитивных помех в работе радиометрической
системы 12
1.1 Внешние помехообразующие факторы в работе
радиометрических систем 12
-
Помеховое действие фонового излучения 14
-
Помеховое действие дискретных источников шумового излучения, расположенных в области рассеивания ДН антенны 16
-
Помеховое действие изменения состояния подстилающей поверхности 19
-
Численная корректировка результатов радиометрических измерений 23
-
Конструктивные решения антенн по повышению пространственной селекции 28
2 Построение радиометрической системы с пространственным
разрешением информационного сигнала 32
-
Метод углового и поляризационного разрешения информационного сигнала в радиометрах 32
-
Метод пространственного разрешения информационного сигнала в радиометрической системе 36
-
Точность реализации построения радиометрической системы 46
3 Моделирование характеристик направленности антенны
РМС с компенсацией внешних аддитивных помех 51
3.1 Требования к антенной системе в условиях действия
аддитивных помех 51
-
Способы реализации многомодового режима возбуждения антенны 53
-
Выбор оптимальной модели облучателя антенной системы, реализующей суммарно-разностный прием 57
-
Выбор метода построения математических моделей ДН антенны 59
-
Моделирование ДН антенны в синфазном режиме возбуждения 61
-
Моделирование ДН антенны в противофазном режиме возбуждения 65
-
Энергетические соотношения и диапазонные свойства двухмодового облучателя 72
4 Анализ возможностей применения радиометрической системы
с компенсацией внешних аддитивных помех 81
-
Области применения радиометрической системы с компенсацией внешних аддитивных помех 81
-
Результаты экспериментальных исследований 87
Заключение 99
Список использованных источников 101
Приложение 111
Введение к работе
Широкое применение радиометодов при исследовании окружающей среды позволило поставить и разрешить ряд задач диагностики как среды распространения, так и некоторых других трехмерных объектов. Радиотеплолокационные системы, позволяющие оперативно определять состояние среды распространения радиоволн и количественные данные о параметрах среды или иных объектов, представляют собой особый класс радиоизмерительных систем. Такие системы реализуют операции восстановления полей, характеризующих исследуемые объекты.
Системы дистанционного зондирования окружающего пространства с применением радиометрических методов являются эффективным способом получения информации о физическом состоянии зондируемых объектов.
Например, по данным измерений атмосферы определяются следующие ее параметры: влагозапас атмосферы, водозапас облаков, вертикальные профили температуры и влажности и т.д. [1-6]. На их основе строятся прогнозы и рекомендации для различных областей жизни и отраслей производства, достоверность которых зависит от точности результатов решения указанных обратных задач. Методы и модели излучения, используемые при этом постоянно совершенствуются и уточняются [1-4,7-9]. Однако, погрешность получаемых результатов, в первую очередь, определяется погрешностью оценки величины радиояркостной температуры зондируемой области по выходному сигналу радиометрической системы. Точность данной оценки зависит от чувствительности приемника, а также от степени разрешения информационной составляющей входного сигнала [10,11,12].
Современные достижения в проектировании радиометров позволяют обеспечить высокие значения их чувствительности <3Т < 0.05К [13,7,14]. В таких условиях задача разработки радиотеплолокационных систем с высоким разрешением информационного сигнала на фоне аддитивных помех, обусловленных ограниченной пространственной селективностью антенных систем при приеме входного сигнала приобретает особую актуальность и является одной из основных в вопросе повышения достоверности данных радиометрических измерений.
Проблема, решение которой предлагается в данной работе, состоит в разработке эффективного способа компенсации помеховых составляющих антенной температуры в условиях действия внешних аддитивных помех. Известны три основных подхода к ее решению: послеэкспериментальная корректировка результатов на основе известных статистических данных по величине помеховых компонент антенной температуры; уменьшение уровня аддитивных помех путем разработки антенн с повышенной пространственной селективностью; построение радиометрической системы с компенсацией аддитивных внешних помех.
Послеэкспериментальная корректировка результатов основана на принятии упрощенных моделей излучения и использовании априорных данных по зондируемой области и окружающему пространству. Такой способ, к примеру, был использован в работах [7,10,11,15] для оценки погрешности результатов зондирования атмосферы. При этом среднеквадратическая погрешность оценки радиояркостной температуры фона при неизменных условиях проведения измерений принималась равной 10%, что при современном уровне чувствительности приемников составляет 30 - 50% суммарной погрешности определения радиояркостной температуры [7].
Разработка антенн с повышенной пространственной селективностью [16-42] не обеспечивает полного решения проблемы, т.к. в выходном сигнале системы присутствуют помехи, обусловленные собственным шумовым излучением антенны.
Третьим и наиболее эффективным способом разрешения информационного сигнала является разработка радиометрических систем, осуществляющих компенсацию помеховых составляющих антенной температуры. В них реализуется селективный прием помехового сигнала в режиме формирования компенсационного сигнала. Известны разработки, использующие угловое и поляризационное разрешение при формировании компенсационного сигнала [14,43,44,45], но они имеют ограничения по применению, в частности, угловое разрешение эффективно в случае измерения радиояркостного контраста малопротяженных объектов, при использовании поляризационного метода наблюдается сильная зависимость результатов измерений от поляризационных свойств окружающей среды и антенны, а также неполная компенсация аддитивных помех, формируемых за счет приема излучения из передней боковой зоны антенны.
Анализ помеховых компонент антенной температуры показывает, что основной характеристикой, по которой разнесены информационная и помеховая составляющая является диапазон пространственных частот: для первой - это область главного лепестка, для второй -область рассеивания ДН антенны.
Цель данной диссертационной работы заключается в разработке принципа построения радиометрической системы, реализующей пространственное выделение информационного сигнала в условиях
7 действия внешних аддитивных помехообразующих факторов, с последующей компенсацией помеховых компонент входного сигнала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: осуществлено теоретическое обоснование возможности разрешения информационного сигнала РМС путем формирования дополнительного входного сигнала компенсации при приеме излучения из области рассеяния основного канала антенны с последующей реализацией разностных измерений; сформулированы требования к направленным свойствам дополнительного антенного канала с целью реализации пространственного разрешения информационного сигнала и компенсации составляющих входного сигнала, обусловленных действием внешних помех; проведен анализ возможности применения многомодового режима приема для формирования двух диаграмм направленности на одной апертуре для реализации радиометрической системы с компенсацией внешних аддитивных помех; разработана структурная схема радиометрической системы, обеспечивающей схемную компенсацию помеховых компонент входного сигнала при наличии двух сигналов: основного и сигнала компенсации на выходе антенной системы; экспериментально проверены возможности компенсации аддитивных помех при проведении радиометрических измерений с помощью двухканальной системы, осуществляющей компенсацию внешних аддитивных помех; проверена эффективность применения двухканальной системы с компенсацией внешних помех для исследования неоднородных
8 протяженных источников радиошумового сигнала и измерения радиояркостного контраста малопротяженных источников. Научная новизна работы заключается в том, что впервые разработан принцип построения радиометрической системы, в которой использован метод пространственного разрешения информационного сигнала на фоне внешних аддитивных помех путем формирования в одном устройстве приема дополнительного входного сигнала, адекватного помеховой составляющей входного сигнала основного канала с последующей схемной компенсацией в системе; рассмотрено применение многомодового режима работы приемной антенны для формирования двух диаграмм направленности на одной приемной апертуре для реализации требуемых характеристик направленности двухканальной антенны радиометрической системы с компенсацией внешних аддитивных помех; разработан способ оценки погрешности компенсации аддитивных помех в двухканальной РМС по направленным характеристикам антенны с учетом энергетических соотношений мод во входном устройстве; разработано устройство разделения входных сигналов основного и дополнительного каналов двухканальной зеркальной антенны РМС - модовый разделитель.
Проведенный в диссертации анализ показал, что возможная область применения радиометрической системы, обеспечивающей разрешение информационного сигнала на фоне аддитивных помех имеет более широкое применение по методам зондирования и по характеру и размеру зондируемых метеообъектов.
9 Практическая ценность работы заключается в том, что предложено схемное решение для двухканальной радиометрической системы, с компенсацией внешних аддитивных помех; разработана двухканальная зеркальная антенна радиометрической системы, обеспечивающая двухмодовый режим приема с разделением сигналов в модовом разделителе; проведена оценка и экспериментальные исследования направленных характеристик двухканальной системы; на основе проведенных исследований даны рекомендации по практическому применению двухканальной радиометрической системы с пространственным разрешением входного сигнала.
Исследования и практические разработки, выполненные в диссертационной работе, являются частью научно-исследовательских работ, выполненных в рамках хоздоговорных НИР №2973/03 (2003г) и №3137/04 (2004г), проводившихся с Муромским заводом радиоизмерительных приборов, частью Г/Б НИР Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»: «Методы и устройства активно-пассивной радиолокации, их применение в автоматизированных системах обеспечения безопасности летательных аппаратов» (2003-2004гг., код проекта
205.05.01.057. № гос. per. 01200110088), а также в рамках гранта Президента РФ по поддержке молодых российских учёных и ведущих научных школ Российской федерации (2004-2005гг., код НШ-1793.2003.5).
Результаты исследований и их практической проработки были внедрены в работах ОАО «МЗ РИП» и в учебном процессе МИ ВлГУ в дисциплине «Проектирование радиометрических систем».
10 Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийской научной конференции "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (Муром 2001);
Всероссийской школе-конференции "Дифракция и распространение волн" (Москва, 2001г.);
Всероссийской конференции, посвященной памяти Г. Г. Самойловича "Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве" (Москва, 18-19 апреля 2002г.); XX Всероссийской конференции по распространению волн (Н. Новгород, 2002г.);
Всероссийской научной конференции - семинаре "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром 1 - 3 июля 2003г.);
Всероссийской конференции. "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (С. - Петербург 16 -18 июня 2004г.);
Ежегодных научно-технических конференциях Муромского института Владимирского государственного университета (2001 -2005гг.).
Основное содержание работы опубликовано в 11 работах. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации составляет страниц, в том числе рисунков, таблиц, наименований литературы. Основные положения, представляемые к защите: способ построения радиометрической системы, реализующей пространственное разрешение информационного сигнала на фоне внешних аддитивных помех, путем формирования дополнительного сигнала компенсации за счет приема дополнительным антенным каналом сигнала из угловой области рассеяния с последующей реализацией дифференциальных измерений в системе; результаты моделирования и экспериментальных исследований характеристик двухканальной зеркальной антенны, реализующей прием основного сигнала и сигнала компенсации за счет реализации двухмодового режима в облучателе антенны с последующим их разделением в разделителе мод; способ оценки погрешности компенсации внешних аддитивных помех в двухканальной РМС при использовании интегральных характеристик излучения с учетом энергетических соотношений между модами в разделителе мод; результаты лабораторных исследований эффективности работы радиометрической системы, реализующей пространственное выделение информационного сигнала в условиях аддитивного действия помехообразующих факторов, включающие в себя оценку выделения радиояркостного контраста, оценку компенсации действия локальных помех, расположенных в ближней боковой области антенны и изменения состояния окружающего фона.
1 Анализ внешних аддитивных помех в работе радиометрической системы
