Введение к работе
Диссертационная работа является результатом исследований и разработки радиотехнических методов измерения параметров морского волнения с летательных аппаратов (ЛА).
Актуальность темы. В рамках общей проблемы исследования поверхности планеты дистанционными методами важное значение имеет исследование Мирового океана.
Важное место в этой проблеме занимают задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения.
Теоретическое и экспериментальное исследования статистических характеристик радиосигналов, отраженных от морской поверхности (МП), анализ их связи с основными параметрами морского волнения - высотой, длиной, наклонами, направлением распространения волн, скоростью и направлением ветра над поверхностью моря открывают возможности для создания радиотехнических средств измерения этих параметров с ЛА и искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Информация о состоянии МП, скорости и направлении ветра над ней необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и волнения в океанах и морях, обеспечения навигации, строительства и эксплуатации портов и различных гидротехнических сооружений, океанографических научных исследований и обеспечения безопасной посадки ЛА на воду.
Несомненным преимуществом радиотехнических методов измерения параметров морского волнения с борта ЛА и ИСЗ является то, что их эффективность практически не зависит от метеорологических условий и времени суток, они позволяют проводить оперативные измерения на больших акваториях океана.
Несмотря на бурное развитие данного научного направления, методы измерения отдельных параметров морского волнения с ЛА и ИСЗ недостаточно разработаны и исследованы. При разработке методов оперативного измерения параметров морского волнения основное внимание уделялось определению высоты волн. Таким важным параметрам, как длина, период, углы наклона и направление распространения волн, скорость и направление приводного ветра исследователи уделяли недостаточное внимание. Недостаточно разработаны методы оперативного определения спектра морского волнения. Несмотря на большую потребность, в настоящее время отсутствуют серийно выпускаемые
промышленные образцы бортовой аппаратуры для обеспечения безопасной посадки ЛА на МП. В основном это связано со сложностями теоретического анализа и экспериментальной разработки методов определения состояния МП. Поэтому, исследование и разработка новых методов измерения параметров морского волнения является актуальной задачей.
Важной задачей также является дальнейшее совершенствование и исследование моделей отражения радиоволн от МП с учетом новых выявленных ее особенностей, исследование недостаточно изученных методов с целью анализа их ограничений, погрешностей и возможного применения на ЛА.
Особое место занимает задача создания радиотехнического комплекса для измерения основных параметров морского волнения и обеспечения безопасной посадки ЛА на МП путем одновременного измерения нескольких параметров, несущих основную информацию о процессе морского волнения.
Цель диссертационной работы. Разработать и исследовать методы оперативного измерения параметров морского волнения и ветра для получения наиболее полной информации о состоянии МП и обеспечения безопасной посадки ЛА на воду.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
исследовать и усовершенствовать модели отражения радиоволн от поверхности с крупными неровностями и от поверхности, представляемой в виде двухмасштабной структуры, с целью уменьшения алгоритмической погрешности методов измерения;
выполнить анализ и выбор оптимальных методов пространственной селекции сигналов, отраженных от МП;
исследовать способы и разработать алгоритмы определения скорости и навигационного направления ветра над МП;
- исследовать двухчастотные методы измерения высоты волн и
спектральных характеристик морского волнения с целью расширения границ
их применимости и выявления их новых возможностей, разработать алгоритмы
измерения высоты, длины и направления распространения волн.
Методы исследований. Разработка и исследование моделей отражения радиоволн от МП проводилась аналитическим методом с применением методов теории вероятности, векторной алгебры и интегрального исчисления. Исследование методов пространственной селекции сигналов и влияния флуктуации ЛА по крену и тангажу на положение осей диаграмм направленности антенн (ДНА) проводилось аналитическим методом.
Исследование разработанных алгоритмов измерения параметров морского волнения проводилось численными методами на ЭВМ. Оценка точности машинного моделирования, а также проверка отдельных теоретических положений осуществлялась путем сопоставления полученных решений с известными результатами натурных экспериментальных исследований.
Научная новизна. В рамках метода Кирхгофа решена задача обратного отражения СВЧ-радиоволн от поверхности с крупными неровностями, имеющей большую относительную диэлектрическую проницаемость, с учетом локального характера коэффициентов отражения Френеля, азимутальной зависимости дисперсии ее наклонов и их корреляции.
В рамках двухмасштабной модели решена задача обратного отражения СВЧ-радиоволн от МП для вертикально-вертикальной и горизонтально-горизонтальной поляризаций излучения и приема с учетом ее азимутальных анизотропных свойств, асимметрии волнового профиля относительно линии гребней и плотности вероятности наклонов, а также локальных углов ее визирования и элементов затенения.
Показано, что усовершенствованная двухмасштабная модель отражения СВЧ-радиоволн объясняет природу различия в величинах значений главного и второго максимума азимутальной зависимости удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР), а также смещение двух минимумов этой зависимости в сторону второго максимума.
На основе этой модели предложен метод получения оценки спектральной функции углового распределения для случая, когда известен только модуляционный спектр ряби в направлении визирования против ветра.
Разработаны алгоритмы измерений скорости и навигационного направления ветра, алгоритм коррекции результатов измерения высоты морских волн в зависимости от высоты полета, крена и тангажа ЛА, алгоритм определения длины и главного направления бега морских волн. Получено положительное решение по результатам формальной экспертизы заявки на патент РФ "Устройство для измерения скорости и направления ветра над морской поверхностью" № 96102234/09(003817) (Гарнакерьян А.А., Некрасов А.В.) и установлен приоритет от 6.02.96.
Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:
- двухмасштабная модель обратного рассеяния СВЧ-радиоволн МП с
учетом ее азимутальных анизотропных свойств, асимметрии волнового
профиля относительно линии гребней и плотности вероятности ее наклонов, а
также локальных углов ее визирования и элементов затенения;
- метод получения оценки спектральной функции углового распределения
для случая, когда известен только модуляционный'спектр ряби в направлении визирования против ветра;
- алгоритмы измерений скорости и навигационного направления ветра
(абсолютным и относительным методами) по интенсивности отраженных
сигналов от МП, алгоритм коррекции результатов измерения высоты морских
волн в зависимости от высоты полета, крена и тангажа ЛА, алгоритм
определения длины и главного направления бега морских волн.
Практическая ценность. Предложенные модели отражения СВЧ-радиоволн от взволнованной поверхности моря могут быть использованы для количественного анализа и физической интерпретации экспериментальных данных при проведении исследований морского волнения радиотехническими методами. Разработанные алгоритмы и структурные схемы устройств для измерения параметров морского волнения, скорости и навигационного направления ветра над МП могут быть внедрены в практику океанографических исследований и использованы при создании радиотехнических систем обеспечения безопасной посадки ЛА на поверхность моря.
Реализация работы. Результаты, полученные в диссертационной работе были использованы в госбюджетной НИР № 11341, проводившейся в соответствии с тематическим планом университета, и внедрены в ТАНТК им. Г.М. Бериева, НКБ "Миус" и ТРТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на 4-й международной НТК "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" в г. Вологда в 1994 г.;
на международном научном симпозиуме "Природа и человек: взаимодействие и безопасность жизнедеятельности" в г. Таганрог в 1996 г.;
на 2-й российской НТК "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии" в г. Санкт-Петербург в 1995 г.;
на молодежной НТК "21-е гагаринские чтения" в г. Москва в 1995 г.;
на научно-техническом семинаре с международным участием "Теория и техника многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях априорной неопределенности" в г. Таганрог в 1994 г.;
- на 39-й, 40-й, 41-й и 42-й НТК Таганрогского радиотехнического
университета в 1993, 1994,1995, 1996 гг.;
- на всероссийской НК студентов и аспирантов "Новые информационные
технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение" в г.
Таганрог в 1995 г;
- на 3-й всероссийской НК студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" в г. Таганрог в 1996 г.
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы отражены в 20 публикациях, из них: 17 печатных работ, 2 депонированные работы и 1 отчет по НИР.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, 32 рисунка, ссылки на литературу из 149 наименований и 2 приложения.
