Методи підвищення ефективності радіолокаційних систем вертикального зондування атмосфери

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Методи підвищення ефективності радіолокаційних систем вертикального зондування атмосфери

Литвин-Попович Андрій Ігорович

Харків 2010

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Олейніков Володимир Миколайович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри радіоелектронних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Леховицький Давід Ісаакович Харківський національний університет радіоелектроніки, головний науковий співробітник наукового-дослідного центру інтегрованих інформаційних радіоелектронних систем і технологій

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ульянов Юрій Миколайович Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», старший науковий співробітник

Захист відбудеться «2» червня 2010 р. о 15-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «28» 04 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради ___________ В.М.Безрук

1. Загальна характеристика роботи

зондування атмосфера радіолокаційний сигнал

Актуальність теми. Для метеорологічного забезпечення авіації, екологічного моніторингу та досліджень в області фізики атмосфери необхідне оперативне забезпечення даними про стан атмосфери. Системи аерологічного зондування вже не задовольняють вимогам до достовірності та оперативності оцінок швидкості та напряму вітру, вологості, температури та інтенсивності турбулентних процесів в атмосфері. Найбільш поширеними засобами для вирішення цих завдань є системи дистанційного зондування атмосфери, зокрема системи радіолокаційного, радіоакустичного, акустичного та оптичного зондування. Їхнє широке застосування зумовлене великою роздільною здатністю та оперативністю отримуваних результатів.

Радіолокаційні станції вертикального зондування атмосфери використовують явище розсіювання радіохвиль на атмосферних неоднорідностях та мають низку переваг порівняно з іншими системами дистанційного зондування. Зокрема, від акустичних та радіоакустичних систем вони вигідно вирізняються більшою зоною огляду по висоті, а від лазерних локаційних систем - можливістю проведення вимірювань в умовах хмарності та опадів.

В деяких країнах (США, Японія, Великобританія, Германія, Франція), радіолокаційні станції вертикального зондування об'єднані в регіональні мережі метеорологічного забезпечення та охоплюють значні площі, що дозволяє досліджувати явища синоптичних масштабів.

Найбільш поширені станції вертикального зондування відносяться до категорії низькопотенційних, тобто мають відносно малу потужність передавача та апертуру антени. Це призводить до малого співвідношення сигнал/шум та значного рівня пасивних завад, що реєструються приймальним пристроєм РЛС. У зв'язку з цим, розробка заходів, що дозволяють знизити похибки вимірювання динамічних характеристик атмосфери за допомогою РЛС ВЗ, є актуальною науково-прикладною задачею. Тому тема дисертації актуальна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з планом науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетної теми №199 «Фундаментальні дослідження складових інтегрованої радіоелектронної системи управління рухомими об'єктами», підтема №199-4 «Розвиток теорії, удосконалення шляхів дослідження та розробка принципів побудови каналів розповсюдження радіохвиль: тропосферного, метеорного та прямого бачення» (№ДР 0106U003151). Здобувач також приймав участь у НДР 153 «Фундаментальні дослідження по удосконаленню інформаційно-вимірювальних радіоелектронних систем та мереж», підтема 153-7 «Теоретичні та експериментальні дослідження засобів та методів дистанційного зондування об'єктів радіометодами» (№ДР 0103U001570). В згаданих НДР здобувач був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є зниження похибок вимірювання швидкості вітру радіолокаційною системою вертикального зондування атмосфери шляхом підвищення завадозахищеності системи.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі завдання:

- аналіз впливу пасивних завад на статистичні характеристики оцінок динамічних параметрів атмосфери;

- розробка методів та засобів зниження впливу пасивних завад на величину похибки оцінювання динамічних параметрів атмосфери;

- розробка методів параметризації спектрів міжперіодних варіацій розсіяних сигналів, що забезпечують незміщені оцінки моментів спектру в межах всього діапазону однозначного вимірювання швидкостей вітру;

- проведення модельних та натурних експериментів для верифікації запропонованих методів та алгоритмів обробки розсіяних сигналів, аналіз метрологічних характеристик системи після внесених модифікацій.

Об'єкт дослідження - процес впливу пасивних завад на характеристики розсіяних сигналів.

Предмет дослідження - методи та алгоритми обробки розсіяних сигналів в радіолокаційних системах вертикального зондування атмосфери, що забезпечують придушення пасивних завад.

Методи дослідження:

- методи статистичної радіотехніки для аналізу та синтезу алгоритмів обробки радіолокаційних сигналів, зокрема алгоритмів фільтрації та оцінювання параметрів сигналу на фоні завад;

- методи теорії радіолокації для аналізу характеристик розсіяних сигналів в системі вертикального зондування атмосфери;

- методи імітаційного моделювання процесу формування та обробки розсіяних сигналів;

- методи математичної статистики для аналізу характеристик оцінок отриманих при обробці розсіяних сигналів в радіолокаційній системі вертикального зондування атмосфери.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вдосконалена методика заглушення пасивних завад, зумовлених відбиттям зондуючого сигналу від літальних апаратів, в системах обробки сигналів радіолокаційних станцій вертикального зондування атмосфери. Від існуючих методик вона відрізняється процедурою зваженого когерентного накопичення енергії розсіяних сигналів.

2. Вдосконалено методику фільтрації земної завади в системах обробки сигналів РЛС ВЗ. Новизна полягає в використанні вейвлет-фільтру земної завади замість режекторного адаптивного фільтру в існуючих системах.

3. Вперше проаналізовано зміщення оцінок моментів спектру розсіяного сигналу внаслідок крайових явищ. Розроблено методи параметризації спектрів міжперіодних варіацій розсіяного сигналу, в яких відсутнє зміщення оцінок моментів спектру. Відмінність від існуючих методів полягає в використанні представлення спектру в полярних координатах.

4. Набула подальшого розвитку методика аналізу хвильових процесів в атмосфері Землі, спричинених проходженням сонячного термінатора. На відміну від існуючих методик, для аналізу використано методи вейвлет-аналізу та статистичної обробки результатів вимірів.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Використання вейвлет-фільтру земної завади забезпечує додаткове зменшення рівня завади на 10 дБ відносно випадку адаптивної фільтрації.

2. Використання когерентного накопичення з адаптивно-змінюваною кратністю дозволяє знизити випадкові похибки вимірювання швидкості вітру на величину до 10%.

3. Модифіковані методи параметризації дозволяють знизити похибку оцінювання швидкості вітру для всього діапазону вимірюваних швидкостей на 10%.

4. Розроблені методи та алгоритми впроваджені в систему цифрової обробки радіолокаційних сигналів станції вертикального зондування ХНУРЕ (НДР № 153-7 та 199-4), а також в навчальний процес на кафедрі РЕС, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що відображають сутність дисертаційної роботи і містяться в пунктах наукової новизни та практичного значення, отримані автором особисто і досить повно викладені у 14 наукових працях, опублікованих здобувачем самостійно та у співавторстві. Особистий внесок здобувача у статтях, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному. У статті [1] здобувачу належить розробка методів параметризації спектрів, що не мають крайових ефектів, а також розробка імітаційних моделей, проведення моделювання та інтерпретація результатів. У статті [2] здобувач реалізував вейвлет-фільтр земної завади, розробив імітаційні моделі сигналів та завад, провів моделювання та інтерпретацію результатів. У статті [3] здобувачу належить розробка та реалізація фільтру завадових відбиттів, проведення моделювання та інтерпретація результатів. У статті [4] здобувач розробив та реалізував метод обробки з адаптивно-змінюваним часом когерентного накопичення, провів модельні експерименти та інтерпретацію результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи було представлено та обговорено на міжнародних конференціях і форумах з публікацією в матеріалах 9…12-го Міжнародних молодіжних форумів «Радіоелектроніка й молодь в XXI столітті» (Харків, ХНУРЕ, квітень 2005-2008 рр.), 6-ї Харківської конференції молодих науковців «Радіофізика і електроніка» (YSC-2006, Харків, ІРЕ НАНУ, 2006 р.), Першого Українсько-Китайського форуму «Наука-виробництво» (Харків, ХНУРЕ, 2007 р.), XIV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics.» (Росія, Томськ, 2007 р.), 3-го міжнародного радіоелектронного форуму «Прикладна радіоелектроніка, стан і перспективи розвитку» (МРФ-2008, Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2008 р.), 5-ї міжнародної молодіжної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій РТ-2009» (м. Севастополь, СевНТУ, 2009р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 14 роботах. Серед них 4 статті опубліковано у фахових наукових виданнях, які включені до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки, список використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 153 сторінки, 6 таблиць та 104 ілюстрації по тексту, список використаних джерел із 117 найменувань на 11 сторінках.

2. Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, її наукову та практичну цінність, сформульовані мета й основні задачі досліджень, присвячених розробці методів обробки розсіяних сигналів в низькопотенційних радіолокаційних станціях вертикального зондування атмосфери, наведено перелік публікацій, а також дані про впровадження роботи.

У першому розділі проведено огляд існуючих систем дистанційного зондування атмосфери, розглянуто методи обробки сигналів, що застосовуються в РЛС вертикального зондування атмосфери. Проаналізовано джерела похибок під час вимірювань профілю вітру, виділено домінуючі чинники, визначено напрямки подальших досліджень.

За висновками до першого розділу, домінуючі складові похибок вимірювань профілю вітру зумовлені:

- відбиттям зондуючого сигналу від елементів ландшафту, споруд та будівель (т.зв. земною завадою) [2], а також від літаків, птахів та комах [3];

- недостатнім співвідношенням сигнал/шум в приймальному тракті, що призводить до зростання випадкових помилок [1,4];

- методичною похибкою при параметризації спектрів розсіяних сигналів [1].

У другому розділі удосконалено моделі розсіяних сигналів та пасивних завад. Проведено синтез удосконалених методів заглушення пасивних завад, зокрема відбиттів від земної поверхні та відбиттів від об'єктів, що рухаються.

Для апробації алгоритмів та методів обробки сигналів в РЛС ВЗ доцільно використати імітаційне моделювання. Цей метод має перевагу перед проведенням натурних вимірів, бо дозволяє порівняти результат оцінювання зі значеннями параметрів, що задані в моделі. Для проведення імітаційного моделювання процесу обробки розсіяних сигналів, необхідно розробити моделі всіх складових вхідного сигналу приймального тракту РЛС ВЗ. Були розглянуті такі компоненти сигналу що діє на вході приймача РЛС:

1. Сигнал, розсіяний атмосферними неоднорідностями коефіцієнту діелектричної проникності, містить інформацію про швидкість та напрям вітру, інтенсивність турбулентних процесів в атмосфері та радіолокаційну відбиваність атмосферних неоднорідностей.

2. Сигнал, що розсіюється елементами ландшафту, спорудами та будівлями, є завадовим фактором, що призводить до збільшення систематичної похибки вимірів швидкості вітру.

3. Сигнали, що розсіюються рухомими цілями (літаками, птахами та комахами) є завадовим фактором, що викликає промахи у вимірюваннях.

Перелічені компоненти сигналу діють на фоні теплового шуму приймального пристрою, а також шуму антени, теплового випромінювання Сонця та інших космічних джерел. Цей шум є широкосмуговим і в моделях, що використовуються в роботі, прийнятий білим.

Моделювання сигналу, розсіяного атмосферними неоднорідностями, можна здійснити двома шляхами: через фізичну або математичну модель. В першому разі модель має імітувати процес поширення і розсіювання радіохвиль в турбулентній атмосфері. При використанні математичної моделі виходять з усереднених показників, що отримані при аналізі результатів зондування атмосфери.

Результати вертикального зондування атмосфери показують, що усереднений спектр розсіяного сигналу досить точно описується функцією Гауса, причому зі збільшенням часу усереднення похибка такого представлення зменшується.

В дисертації розглядається модель розсіяного сигналу, в якій формується амплітудно-частотний спектр розсіяного сигналу у вигляді функції Гауса, а також фазочастотний спектр у вигляді випадкової функції з рівномірним законом розподілення в межах 0…2р.

Серед моделей земної завади (ЗЗ) найбільш відомі гаусова, експонентна та степенева. В рамках цих моделей спектр ЗЗ описується рівняннями:

, , ,

де - швидкість, а параметри , , , оцінено за результатами натурних вимірювань.

Для зниження впливу земної завади на точність вимірювання швидкості вітру використовуються алгоритмічні та технічні методи. До технічних методів відноситься розроблення спеціальних конструкцій антен зі зниженим рівнем бічних пелюсток діаграми спрямованості, а також бленди та компенсаційні ланки. Загальною метою всіх цих заходів є зменшення коефіцієнту спрямованої дії антени РЛС під малими кутами місця.

До алгоритмічних методів заглушення ЗЗ відносяться перед усім цифрові режекторні фільтри. Оскільки параметри спектру ЗЗ відомі, можна синтезувати фільтр зі зворотною АЧХ. Важливими параметрами такого фільтру є коефіцієнт придушення ЗЗ та ступінь впливу фільтру на форму спектру розсіяного сигналу. Спотворення форми спектру розсіяного сигналу, спричинене фільтром, максимальне в разі малих значень швидкості вітру, коли спектри розсіяного сигналу і ЗЗ перетинаються.

Для заглушення ЗЗ може використовуватися вейвлет-фільтрація [2]. Ця процедура полягає в розкладенні розсіяного сигналу в ряд в базисі вейвлет-функції. Далі коефіцієнти, що відносяться до ЗП, обмежуються і відбувається зворотне вейвлет-перетворення. Перевага вейвлет-перетворення перед перетворенням Фур'є в цьому випадку полягає в можливості більш легко розрізнити коефіцієнти ЗЗ та розсіяного сигналу. Структурна схема вейвлет-фільтру ЗП наведена на рис. 1.



Рис. 1 Структурна схема вейвлет-фільтру земної завади

Ефективність вейвлет-фільтру залежить від вибору вейвлету, від порогу обмеження та амплітудної характеристики обмежувача. Можливі аналітичні записи амплітудних характеристик обмежувачів наведено в формулах (1-4), а їхнє графічне зображення - на рис. 2. При цьому прийнято такі позначення: - вхідний сигнал обмежувача, - його вихідний сигнал, - поріг обмеження (всі величини є безрозмірними).

За результатами дослідження, проведеного в дисертаційній роботі [2], найбільш ефективним виявився вейвлет-фільтр, в якому використовувалась вейвлет-функція DB2 (Добеши). Цей вейвлет забезпечує представлення земної завади найменшим числом ненульових коефіцієнтів, що дозволяє найбільш чітко розрізняти земну заваду та сигнал.

, (1)

, (2)

, (3)

. (4)



Рис. 2 Передатні характеристики обмежувачів

Залежність відносної похибки оцінювання швидкості вітру від нормованої потужності земної завади, побудована в результаті модельного експерименту, наведена на рис. 3. Потужність земної завади виражено в нормованих одиницях, відносно потужності розсіяного сигналу. Позначення на рисунку: 1 - немає фільтрації, 2 - режекторний фільтр, 3-6 - вейвлет-фільтри, відповідно, з характеристиками (1-4).

Рис. 3 Залежність похибки оцінювання швидкості вітру від потужності земної завади

З графіків на рис. 3, найбільшу ефективність при значних рівнях ЗЗ забезпечує фільтр з характеристикою (4), проте він має найбільший рівень похибки при малих рівнях земної завади. Решта фільтрів менш ефективна.

Фактором, що спричиняє зростання систематичних похибок радіолокаційних вимірювань швидкості вітру, є опади. Оскільки гідрометеори розсіюють сигнал, результуючий допплерівський зсув частоти не несе інформації про швидкість вітру. Для зменшення систематичних похибок вимірювання швидкості вітру під час опадів, слід ввести поправки, для чого виміряти вертикальну складову швидкості гідрометеорів. Поправки вводяться лише при наявності опадів, а факт цієї наявності можна визначити за допомогою аналізу характеристик розсіяних сигналів. Наявність опадів можна виявити за наступними критеріями:

1. Потужність сигналу, відбитого від гідрометеорів, на 5…10 дБ перевищує потужність сигналу, відбитого від «ясного неба», через інший механізм розсіювання.

2. Реєстрований допплерівський зсув для сигналів, розсіяних гідрометеорами, відмінний від зсуву, що спричинений розсіянням на турбулентних неоднорідностях.

3. Спектр сигналу, розсіяного гідрометеорами, істотно ширше за відбиття від «ясного неба».

4. Як правило, при розсіюванні на гідрометеорах спостерігаються багатомодові спектри сигналів.

У третьому розділі проведено розробку вдосконалених методів параметризації спектрів міжперіодних варіацій розсіяних сигналів, що забезпечують постійний рівень систематичної похибки оцінювання в усьому діапазоні однозначно вимірюваних швидкостей вітру.

В існуючих системах обробки сигналів РЛС ВЗ найчастіше використовуються наступні методи параметризації - метод максимумів, метод моментів та метод найменших квадратів (МНК). Похибка оцінювання швидкості вітру цими методами залежить від співвідношення сигнал/шум та значення швидкості вітру. При цьому існує дві незалежні складові похибки - систематична та флуктуаційна. Систематична похибка параметризації при відсутності завад залежить від значення швидкості вітру. Ця залежність зумовлена так званими крайовими ефектами.

В сучасних РЛС ВЗ використовують цифрові системи обробки сигналів. Внаслідок аналого-цифрового перетворення, спектр розсіяного сигналу набуває періодичної структури, тобто він є повторюваним з періодом, що дорівнює частоті дискретизації. Підвищення співвідношення сигнал/шум в приймальному тракті виконується шляхом накопичення, зокрема, когерентного. Ця операція полягає в сумуванні N відліків розсіяного сигналу та запису результату замість цих N відліків. При цьому виграш у співвідношенні сигнал/шум може сягати при умові, що час накопичення не перевищує інтервалу стаціонарності міжперіодних варіацій розсіяного сигналу.

При когерентному накопиченні відбувається проріджування реалізацій розсіяних сигналів, що призводить до зниження частоти дискретизації та відповідно до зменшення періоду повторення копій спектру аналогового сигналу у складі спектру дискретного сигналу. Оскільки енергетичний потенціал малогабаритних РЛС ВЗ не дозволяє реалізувати високе співвідношення сигнал/шум, доцільно використати максимально можливу кратність когерентного накопичення. При цьому, відбувається спотворення форми спектру за рахунок "накладення" (aliasing), що призводить до появи систематичної похибки оцінювання швидкості вітру. Ця похибка має максимальне значення при наближенні значення швидкості вітру до максимальних значень, що однозначно вимірюються.

Для зменшення похибок, зумовлених накладанням спектрів, можна запропонувати два шляхи:

1. Вдосконалити методи параметризації, щоб взяти до уваги періодичну структуру спектру дискретного сигналу.

2. Зменшити кратність когерентного накопичення, щоб розширити діапазон швидкостей, що однозначно вимірюються.

В даній роботі розглянуті обидва шляхи. По-перше, запропоновано використовувати модифіковані методи моментів та найменших квадратів [1]. Сутність модифікації полягає в представленні спектру міжперіодних варіацій розсіяного сигналу в полярних координатах замість декартових. Циклічний метод моментів (ЦММ) ілюструється рис. 4 та формулами (5-7). В формулах надалі прийняті такі позначення: - спектр сигналу в декартових координатах, - спектр сигналу в полярних координатах, N - кількість відліків в спектрі, - кутова координата центру мас спектру, та - відповідно, оцінки центральної частоти та ширини спектру міжперіодних варіацій розсіяного сигналу. Тут і надалі, оцінки центральної частоти та ширини спектру виражені безрозмірними величинами, що мають сенс номера відліку, що відповідає центру мас спектру та кількості спектральних відліків що складають головний максимум. Обчислення значень швидкості вітру проводиться з урахуванням параметрів РЛС - несучої частоти, періоду зондуючих імпульсів та часу когерентного накопичення енергії розсіяних сигналів.

Рис. 4 Спектр розсіяного сигналу в полярних координатах

, (5)

,

,

,

,

, (6)

. (7)

Циклічний метод найменших квадратів (ЦМНК) відрізняється від традиційного метода найменших квадратів тим, що замість функції Гауса в якості функції-шаблону використана циклічна версія функції Гауса [1]

, де , .

Ще одним методом параметризації, що розглядається в дисертації, є метод, оснований на авторегресійному спектральному оцінюванні. В даному разі використовувалась модель авторегресії першого порядку (АР-1) для оцінювання центральної частоти та ширини спектру міжперіодних варіацій розсіяного сигналу. Розсіяний сигнал в системі обробляється в двох квадратурних каналах. Позначимо сигнали в квадратурних каналах як та . Тоді розсіяний сигнал можна записати як

.

Кореляційна функція розсіяного сигналу розраховується за допомогою перетворення Фур'є

,

(де та - відповідно, пряме і зворотнє перетворення Фур'є), після чого обчислюється коефіцієнт моделі авторегресії першого порядку

.

Центральна частота та ширина спектру сигналу, відповідно, обчислюються за формулами (9-10):

, (9)

. (10)

Результати імітаційного моделювання процесу параметризації спектрів наведено на рис. 5-8. Умовні позначення: 1 - метод максимумів, 2 - метод моментів, 3 - ЦММ, 4 - МНК, 5 - ЦМНК, 6 - параметризація на базі АР моделі.



Рис. 5 Залежність оцінки відносної швидкості вітру від значення швидкості, завданого в моделі

Рис. 6 Залежність відносної похибки параметризації від значення швидкості вітру, завданого в моделі

При малих за модулем значеннях швидкості вітру, всі методи мають мінімальні значення систематичної похибки, проте зі збільшенням швидкості вітру похибка зростає. Це особливо помітно для методу моментів (залежність 2), а також для методу найменших квадратів (залежність 4).



Рис. 7 Залежність відносного значення середньоквадратичного відхилення оцінки швидкості вітру від співвідношення сигнал/шум для повного діапазону швидкостей (а) та для центральної частини діапазону швидкостей (б)

З наведених результатів видно, що методи ЦММ та ЦМНК мають суттєво меншу методичну похибку порівняно з методом моментів та методом найменших квадратів.

В роботі запропоновано використовувати адаптивне управління кратністю когерентного накопичення енергії розсіяних сигналів, окремо для кожного висотного шару зондування. На рис. 8 приведено залежність середньоквадратичного відхилення оцінок швидкості вітру від часу когерентного накопичення.



Рис. 8 Залежність похибки оцінювання швидкості вітру від часу когерентного накопичення енергії розсіяного сигналу

При цьому початковий час когерентного накопичення Т0 визначається як

, (11)

де N - кількість відліків в реалізації розсіяного сигналу, с - швидкість світла, vmax - максимальна швидкість вітру в даному висотному шарі, f0 - робоча частота РЛС ВЗ. Оскільки проведені дослідження показали, що закон розподілу швидкостей вітру є нормальним, то максимальне значення швидкості вітру припустимо визначати за правилом «трьох сигма»: . Для методів, що забезпечують значні крайові ефекти (метод моментів та МНК), доцільно зменшувати час когерентного накопичення відносно значення Т0, що отримано виходячи з формули (11).

Додатково підвищити співвідношення сигнал/шум можливо за рахунок наступного способу: для кожного висотного шару зондування спектр міжперіодних варіацій розсіяного сигналу центрують відносно нульового значення. Таким чином, середнє значення допплерівсьского зсуву частоти фіксують окремо, а при параметризації визначають лише приріст (пульсаційну швидкість вітру). Структурна схема, що пояснює цей метод, наведена на рис. 9.

Рис. 9 Структурна схема, що пояснює процес дискретизації та квадратурної обробки розсіяних сигналів

Ця схема відрізняється від звичайного квадратурного детектора лише значенням частоти опорного сигналу щ. Ця частота обчислюється як

,

де - це проміжна частота приймального тракту РЛС ВЗ, а

,

де - середнє значення швидкості вітру для даного висотного шару.

Додаткове підвищення співвідношення сигнал/шум в цьому разі зумовлене більшим часом когерентного накопичення, що можна використати. Ця величина оцінюється як



і зростає зі зменшенням швидкості вітру. За даними натурних експериментів, цей виграш в залежності від вітрового режиму атмосфери може досягати 5…10 дБ.

В четвертому розділі наведено відомості про апробацію розроблених методів обробки сигналів, що проведена з використанням даних натурних експериментів, виконаних автором. Деякі з цих результатів наведено на рис. 10-11. На рисунку 10 наведено результати аналізу хвильових процесів в тропосфері, що спричинені проходженням сонячного термінатора. З метою вивчення цього явища було проведено низку сеансів зондування атмосфери на РЛС ВЗ Харківського національного університету радіоелектроніки. Вдосконалена система цифрової обробки сигналів РЛС ВЗ дозволила отримати потрібну роздільну здатність за часом. Аналіз результатів зондування показав наявність інтенсивних коливань з періодами 2-5 хвилин, що з'являються при перепаді температури, спричиненому сходом та заходом Сонця. Ці результати збігаються з відомими раніше з літературних джерел, отриманими для оптичного зондування та для радіолокаційного зондування іоносфери. При аналізі даних використано вейвлет-перетворення.

Рис. 10 Спектр варіацій потужності розсіяного сигналу під час заходу (а) та сходу (б) Сонця

З метою апробації розроблених методів та алгоритмів 20-21 квітня 2008 року проведено синхронний сеанс вимірів з використанням РЛС ВЗ Харківського національного університету радіоелектроніки та станції аерологічного зондування Харківського аеропорту. Результати наведено на рис.11.

Рис. 11 Висотний профіль швидкості вітру по даним РЛС ВЗ (1) та станції аерологічного зондування (2)

На рисунку заштриховано межі інтервалу довіри для результатів вимірів РЛС ВЗ. Довірча ймовірність складає 90%. В межах висотного шару 300 м - 4.5 км виміри станції аерологічного зондування потрапляють в межі цього інтервалу довіри. Таким чином, проілюстровано коректність функціонування системи обробки сигналів РЛС ВЗ та практичну значущість розроблених в роботі методів обробки розсіяних сигналів.

Висновки

В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу, що полягає в удосконаленні радіолокаційної системи вертикального зондування атмосфери з метою зниження похибок вимірювань параметрів атмосфери. Для цього проведено аналіз джерел похибок вимірювання профілю швидкості вітру радіолокаційними системами вертикального зондування атмосфери. В результаті аналізу визначено домінуючі чинники похибок та промахів вимірювань. Запропоновані методи обробки розсіяних сигналів, що дозволяють зменшити похибки вимірювань швидкості вітру за допомогою РЛС ВЗ. При цьому отримано наступні наукові та практичні результати:

1. Розроблено метод зниження похибок, викликаних земною завадою. Метод оснований на вейвлет-фільтрації. Проведено дослідження з вибору параметрів фільтру. Ефективність проілюстровано шляхом імітаційного моделювання та обробки результатів натурних експериментів. За даними імітаційного моделювання, при використанні розробленого вейвлет-фільтру коефіцієнт послаблення земної завади на 10 дБ вищий, ніж для адаптивного фільтру.

2. Запропоновано метод корекції оцінок швидкості вітру при наявності опадів. При цьому виявлення опадів відбувається з використанням характеристик міжперіодних варіацій розсіяного сигналу, зокрема допплерівського зсуву частоти ширині спектру варіацій.

3. Розроблено методи зниження зміщення оцінок моментів спектру міжперіодних варіацій розсіяного сигналу при параметризації. Запропоновано використовувати при параметризації представлення спектру сигналу в полярних координатах. Внаслідок цього, в середньому по діапазону швидкостей вітру похибку знижено на 10%, що проілюстровано результатами імітаційного моделювання.

4. Розглянуто питання про адаптивний вибір кратності когерентного накопичення залежно від поточного вітрового режиму атмосфери. Також запропоновано використовувати метод дискретизації розсіяних сигналів з центруванням спектру міжперіодних варіацій. Цей метод дозволяє додатково збільшити кратність когерентного накопичення. За рахунок адаптивного вибору кратності та центрування спектрів міжперіодних варіацій розсіяних сигналів досягнуто збільшення співвідношення сигнал/шум, яке дозволяє скоротити випадкові похибки вимірювань на 10…15%.

5. Апробація запропонованих методів проведена шляхом імітаційного моделювання, а також шляхом порівняння результатів виконаного автором радіолокаційного зондування з результатами аерологічного зондування. Результати аерологічного зондування та радіолокаційного зондування подібні з довірчою вірогідністю 90%.

6. Розроблені методи та алгоритми впроваджені в програмне забезпечення системи обробки сигналів РЛС ВЗ, а також використовуються в навчальному процесі, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Литвин-Попович А.И. Параметризация спектров рассеянных сигналов в РЛС вертикального зондирования атмосферы / А.И. Литвин-Попович, В.Н. Олейников // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2008. - Вып. 152. - С. 49-52.

2. Литвин-Попович А.И. Применение вейвлет-фильтрации для подавления земной помехи в РЛС вертикального зондирования атмосферы / А.И. Литвин-Попович, В.Н. Олейников // «Прикладная радиоэлектроника», 2008, том 7, №1, с.30-36.

3. Литвин-Попович А.И. Подавление мешающих отражений в РЛС вертикального зондирования атмосферы / А.И. Литвин-Попович, В.Н. Олейников // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2008. - Вып. 154. - С. 44-47.

4. Литвин-Попович А.И. Повышение эффективности цифровой обработки сигналов РЛС вертикального зондирования атмосферы / А.И. Литвин-Попович, В.Н. Олейников // «Прикладная радиоэлектроника», 2008, том 7, №4, с.400-403.

5. Литвин-Попович А.И. Подавление земной помехи в РЛС вертикального зондирования атмосферы / А.И. Литвин-Попович // 9-й міжнародний форум «Радіоелектроніка і молодь у ХХІ ст»: зб. Матеріалів форуму. - Харків, ХНУРЕ, 2005. - 629с.

6. Литвин-Попович А.И. Использование РЛС ВЗ для оценки параметров осадков / А.И. Литвин-Попович // 10-й ювілейний міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь у ХХІ ст»: Зб. матеріалів форуму. - Харків, ХНУРЕ, 2006. - 716с.

7. Моделирование процесса рассеяния радиоволн на неоднородностях атмосферы. / А.И.Литвин-Попович // 6-а Харківська конференція молодих науковців «Радіофізика та Електроніка», ІРЕ НАНУ, 13-14 грудня 2006.

8. Литвин-Попович А.И. Особенности параметризации спектров рассеянных сигналов в РЛС вертикального зондирования атмосферы. / А.И. Литвин-Попович // 11-й міжнародний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.»: Зб. матеріалів форуму. - Харків: ХНУРЕ, 2007. ч.1 - 434с.

9. Литвин-Попович А.И. Использование вейвлет-фильтрации для подавления земной помехи в РЛС вертикального зондирования атмосферы. 7.4.,с.122 // Перший Українсько-Китайський форум «Наука-виробництво»: каталог анотацій за матеріалами форуму. - Харків: ХНУРЕ, 2007. - 224с.

10. Litvin-Popovitch A.I. Parameterization of a backscattered signal spectra in radar windprofiler systems. / A.I.Litvin-Popovitch // XIV International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics.”: Abstracts. - Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2007 - 250pp. ISBN 978-5-94458-080-1, June 24-29, 2007. (page 237).

11. Литвин-Попович А.И. Особенности алгоритмов обработки сигналов РЛС вертикального зондирования атмосферы. с.42. / А.И. Литвин-Попович // 12-й міжнародний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.»: Зб. матеріалів форуму. - Харків: ХНУРЕ, 2008. ч.1 - 432с.

12. Литвин-Попович А.И. Адаптивные системы обработки сигналов РЛС вертикального зондирования атмосферы. с.75 / А.И. Литвин-Попович, В.Н. Олейников // 3-й международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008. Сборник научных трудов. Том 1. Международная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации». Ч.1 - Харьков, АНПРЭ, ХНУРЭ. 2008. - 374 с.

13. Юдин С.В. Портативная РЛС S-диапазона для исследования осадков и облачных систем. с.71 / С.В. Юдин, В.Н. Олейников, Д.Б. Евсеев, О.А. Соляник, Л.П. Татарец, Г.В. Нестеренко, А.И. Литвин-Попович, Е.А. Иванова // 3-й международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008. Сборник научных трудов. Том 1. Международная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации». Ч.1 - Харьков, АНПРЭ, ХНУРЭ. 2008. - 374 с.

14. Юдин С.В. Разработка РЛС вертикального зондирования атмосферы S диапазона. с.76 / С.В. Юдин, А.И. Литвин-Попович, Д.Б. Евсеев // Материалы 5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2009»», Севастополь: изд-во Вебер, 2009. - 351 с.

Анотація

Литвин-Попович А.І. Методи підвищення ефективності радіолокаційних систем вертикального зондування атмосфери. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010.

У дисертаційній роботі розв'язано актуально науково-прикладну задачу, що полягає в удосконаленні системи обробки сигналів РЛС вертикального зондування атмосфери з метою зниження похибок вимірювання висотного профілю швидкості та напрямку вітру. У роботі виявлено домінуючі чинники похибок вимірювань, та вдосконалено методи обробки сигналів в РЛС вертикального зондування, зокрема методи фільтрації пасивних завад та параметризації спектрів розсіяних сигналів, що дозволить знизити похибки вимірювань динамічних параметрів атмосфери.

На основі порівняння даних радіолокаційного зондування та даних аерологічного зондування показано можливість практичного застосування розроблених методів обробки розсіяних сигналів в РЛС ВЗ.

Ключові слова: радіолокаційне зондування атмосфери, профілі швидкості вітру, дистанційне зондування атмосфери, пасивні завади, параметризація спектрів розсіяних сигналів.

Аннотация

Литвин-Попович А.И. Методы повышения эффективности радиолокационных систем вертикального зондирования атмосферы - рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача усовершенствования РЛС вертикального зондирования атмосферы с целью снижения погрешностей измерения высотного профиля скорости и направления ветра.

В работе усовершенствованы методы обработки сигналов в РЛС вертикального зондирования, в частности методы фильтрации пассивных помех и параметризации спектров рассеянных сигналов, что позволяет снизить погрешности измерения динамических параметров атмосферы.

Предложено использовать вейвлет-фильтр земной помехи, а также процедуру взвешенного когерентного накопления для подавления мешающих отражений от летательных аппаратов. Данное усовершенствование позволяет снизить систематические погрешности измерения высотного профиля скорости ветра, вызванные пассивными помехами. Эффективность методов фильтрации проиллюстрирована имитационным моделированием, а также обработкой результатов натурных экспериментов.

Предложен ряд методов параметризации спектров рассеянных сигналов. Их особенность заключается в том, что систематическая погрешность параметризации не зависит от измеряемого значения скорости ветра. В результате, средняя погрешность оценивания динамических параметров атмосферы снижена на 10% в среднем по диапазону скоростей.

Разработаны критерии определения наличия осадков по характеристикам межпериодных вариаций рассеянных сигналов. В результате возможно устранить промахи измерений скорости ветра, вызванные регистрацией сигналов рассеянных гидрометеорами во время осадков.

На основании сравнения данных радиолокационного зондирования и данных аэрологического зондирования показана возможность практического применения разработанных методов обработки рассеянных сигналов в РЛС ВЗ.

Ключевые слова: радиолокационное зондирование атмосферы, профили скорости ветра, дистанционное зондирование атмосферы, пассивные помехи, параметризация спектров рассеянных сигналов.

Abstract

Litvin-Popovich A.I. "Methods of a radar wind profiler effectiveness improvement". - a Manuscript.

Thesis for the candidate's degree by specialty 05.12.17 - radio engineering and television systems. - Kharkov national university of radio electronics, Kharkov, 2010.

Thesis is dedicated to a topical task of improving signal processing system of ф radar wind profiler. Goal is to decrease amount of measurement errors for wind speed and direction. Major interfere factors have been analyzed, and signal processing methods for radar wind profilers have been improved, giving emphasis to passive interference suppression and backscattered signal spectra parameterization. Decrease of measurement errors achieved for estimation of dynamic parameters of atmosphere. Imitational modeling and real-world data processing used to illustrate improvements.

Cross-checks between radar wind profiler results and contact wind measurements (balloon method) have been provided to illustrate the usefulness of developed signal processing methods.

The Keywords: radar remote sensing, radar wind profiler, wind speed profiles, atmospheric remote sensing, passive interference, parameterization of a backscattered signal spectrum.

Размещено на Allbest.ru

...