Розповсюдження над широкосмугових радіосигналів у навколоземному просторі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розповсюдження над широкосмугових радіосигналів у навколоземному просторі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Останніми роками значно підвищився інтерес до використання нетрадиційних видів сигналів у різних галузях науки та техніки. Одним із представників цього класу сигналів, вперше розглянутого в 50-60 роки цього сторіччя в роботах Кенно, Косгріффа та Моффата, є надширокосмугові (НШС) сигнали, які в літературі також інколи називають несинусоїдальними або негармонійними. Значний внесок у розвинення та впровадження НШС сигналів в різні галузі науки й техніки вніс відомий американський вчений Х. Хармут.

Під надширокосмуговим сигналом розуміють сигнал, показник широкосмуговості якого задовольняє умові . За визначенням

,

де та - мінімальна та максимальна частоти функції спектральної щільності сигналу. Такі сигнали переносять об'єм інфор-мації в разів більший, ніж традиційні вузькосмугові та широкосмугові сигнали, для яких показник широкосмуговості . Ця особливість дозволяє на якісно новому рівні підійти до різних питань науки та техніки. Так при використанні для дистанційного радіозондування (в радіолокації) НШС сигнали дають можливість отримати надрозрізнення за відстанню (від 0,1 м при довжині імпульсу радіолокаційної станції c), дозволяє на більш високому рівні розв'язувати задачі виявлення, розпізнавання та розрізнення цілей, що мають спеціальне антирадарне покриття (наприклад, яке виготовлено за технологією «Стелс»), а також отримання некоординатної інформації про ціль (розміри, форма і таке інше).

НШС сигнали також застосовують для дистанційного радіозондування крижаного та льодового покровів, підповерхневої радіолокації (визначення глибини залягання різних порід, пошуку води, пошкоджень підземних комунікацій та інше), всепогодної ближньої радіонавігації, зв'язку з зануреними підводними човнами та інше.

Актуальність теми. Здається перспективним застосування НШС сигналів для радіолокації космічних об'єктів, дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, іоносферно-магнітосферного зв'язку та інше. Може виявитись, що в цих випадках дисперсійні ефекти є головними. До останнього часу ці питання не розглядались або розв'язання таких задач перебуває лише на початковому етапі. Цим і визначено актуальність роботи, що розглядається.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідної роботи «Іоносфера» (в рамках міжнародного проекту «Поперед-ження») та координаційного плану Міністерства освіти України «Взаємодія електромагнітного випромінювання та потоків заряджених часток з речовиною».

Мета і задачі дисертаційної роботи Метою дисертації є дослідження дисперсійних спотворень НШС сигналів в іоносфері та магнітосфері Землі, а також у міжпланетній плазмі та оцінка оптимальних параметрів радіотехнічних систем, в яких пропонується використовувати НШС сигнали для дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, планет сонячної системи та поверхні Землі з борту космічного апарату.

Відповідно до поставленої мети задачі роботи є такими:

1. Дослідження дисперсійних спотворень НШС сигналів в іоносфері та магнітосфері Землі, а також в міжпланетній плазмі.

2. Узагальнення рівняння дистанційного радіозондування на випадок застосування НШС сигналів при дослідженні розподілених цілей.

3. Оцінка оптимальних параметрів радіотехнічних систем, в яких пропонується використовувати НШС сигнали для дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, планет сонячної системи та поверхні Землі з борту космічного апарату.

Наукова новизна. В роботі отримано наступні результати, які представляють наукову новизну:

1. Вперше розглянуто роль дисперсій фазової швидкості, поглинання та розсіяння випадковими неоднорідностями середовища при розповсюдженні НШС сигналів в іоносфері та магнітосфері Землі, а також в міжпланетному середовищі.

2. Вперше оцінено можливість застосування НШС сигналів для дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, планет сонячної системи та поверхні Землі з космосу.

3. Вперше оцінено оптимальні параметри радіотехнічних систем, в яких пропонується використовувати НШС сигнали для дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, поверхні Землі з космосу, а також планет сонячної системи.

4. Вперше узагальнено рівняння дистанційного радіозондування на випадок застосування НШС сигнaлів.

Практичне значення отриманих результатів визначається:

1. Можливостю створення нових іоносферно-магнітосферних каналів зв'язку, які мають велику пропускну спроможність.

2. Можливостю модернизації існуючих і створення нових методів дистанційного радіозондування навколоземного космічного середовища та космічних об'єктів, що дозволить, зокрема, розв'язати проблему здійснення оперативного геофізичного моніторингу стану навколоземного космічного середовища, яка є важливою з точки зору фундаментальної та прикладної науки, екології і т.і.

Особистий внесок здобувача.

1. Участь в постановці задачі.

2. Участь в розробці дійсних моделей НШС сигналів.

3. Отримання аналітичних розв'язків задачі про розповсюдження НШС сигналів у плазмових середовищах, зокрема, в іоносфері, магнітосфері Землі, а також у міжпланетному середовищі.

4. Проведення чисельних досліджень питання, що викладено вище.

5. Написання відповідної комп'ютерної програми.

6. Участь в узагальненні рівняння дистанційного радіозонду-вання на випадок застосування НШС сигналів при дослідженні розподілених цілей.

7. Участь в розробці критеріїв та оцінці оптимальних параметрів РТС, в яких запропоновано використовувати НШС сигнали для дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, планет сонячної системи, а також поверхні Землі з борту космічного апарату.

8. Участь в обговоренні результатів, що отримано, та в визначенні напрямків наступних досліджень.

Апробація результатів дисертації.

Результати дисертаційної роботи пройшли апробацію на таких конференціях та семінарах:

І Всеросійській науковій конференції студентів-фізиків, Катеринобург, 1993 р.;

ІV Кримській конференції та виставці «НВЧ техніка та супутниковий прийом», Севастополь, 1994 р.;

ІІ Конференції «Застосування персональних комп'ютерів у наукових дослідженнях та учбовому процесі», Харків, 1996 р.;

ІІІ Відкритій Конференції молодих вчених з фізики космоса та астрофізики, Київ, 1996 р.;

Міжнародному симпозіумі «Моніторинг навколишнього середовища та проблеми сонячно-земної фізики», Томськ, 1996 р.;

VІ Міжнародній кримській конференції «НВЧ техніка та телекомунікаційні технології», Севастополь, 1996 р.;

1996 ІEEE AP-S Іnternatіonal Symposіum and URSІ Radіo Scіence Meetіng, Baltіmor;

1996 Іnternatіonal Symposіum on Antennas and Propagatіon, Chіba;

ІІІ Іnternatіonal Congress of Radіo Wave Propagatіon, Vіenna, 1997;

52-й Науковій сесії НТТРЕЗ ім. О.С. Попова, присвяченій Дню Радіо, Москва, 1997 р.;

VІІth Іnternatіonal Conference on Mathematіcal Methods іn Electromagnetіc Theory, Kharkov, 1998.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладено в 15 наукових публікаціях. З них 4 статті у наукових журналах та 11 - в матеріалах конференцій та симпозіумів

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, шести глав, закінчення та списку лі-тература. Повний обсяг дисертації складає 202 сторінки (11 рисунків - 11 ст., 23 таблиці - 23 ст., список літератури - 18 ст., 157 найменувань, основна частина - 150 ст.). У вступі коротко викладено постанову задачі, стан області дослідження, мету роботи та основні результати.

Основний зміст

радіотехнічний надширокосмуговий сигнал іоносфера

У першій главі проведено аналітичний огляд літератури, яку присвячено надширокосмуговим сигналум. Дано визначення НШС сигналу, показано його переваги та недоліки щодо традиційних вузькосмугових та широкосмугових сигналів, розглянуто особливості, перелічено найбільш розповсюджені методи його описання. Окремо звертається увага на приклади існування НШС сигналів у природі, використання в сучасній науці та техніці, зокрема, в радіолокації та зв'зку, для дистанційного радіозондування криги, земних надр і т.і. Під кінець глави сформульовано найбільш важливі, з точки зору автора, поки ще не розв'язані задачі та проблеми, які стосуються використання НШС сигналів.

В другій главі розглянуто питання, які пов'язані з вибором моделей сигналів та диспергуючих середовищ, описано виникаючі ефекти, узагальнено рівняння дистанційного радіозондування на випадок застосування надширокосмугових сигналів для дослідження розподілених цілей.

Тепер найбільш загальний вигляд цього рівняння є таким:

,

де - співвідношення сигнал-шум на вході приймача, - середня частота фунції спектральної щільності сигналу , - стала Больцмана, - температура шуму на середней частоті функції спектральної щільності сигналу, - коефіцієнт підсилення випронюючої антени, - площа ефективної поверхні приймальної антени, - площа ефективної поверхні розсіяння цілі, - відстань до цілі, - безрозмірна функція розподілу, яка пропорціональна потужності шуму (завади) в залежності від частоти.

В більшості випадків при зондуванні навколоземного космічного простору залежностю від можна знехтувати. Нехай

, , , ,

де - безрозмірна функція форми спектральної щільності. Тоді

,

;

;

;

; .

Розглянемо фізичний смисл співмножників в такому рівнянні дистанційного радіозондуваня. Перший з них є співвідношенням сигнал-шум на середній частоті функції спектральноі щільності сигналу. Других враховує залежність від показника широкосмуговості та моделі завади, яка задається за допомогою значення . Третій характеризує залежність від конкретного виду моделі сигналу, площі ефективної поверхні розсіяння цілі () та конструкції антени ().

Третю главу присвячено результатам аналітичного та чисельного моделювання дисперсійних спотворень, які виникають при розповсюдженні високочастотних НШС сигналів в іоносферній плазмі. Закон дисперсії вибрано у вигляді , де - плазмова частота середовища, - частота радіохвилі. Розглянуто вплив на ефекти, що виникають, регулярної неоднорідності структури середовища, дисперсії поглинання та розсіяння випадковими неоднорідностями середовища. При аналітичних розрахунках використовувався метод стаціонарної фази, при комп'ютерному моделюванні - метод дискретного швидкого перетворення Фурьє з застосуванням різних спектральних вікон.

В четвертій главі наведено результати аналітичних та чисельних розрахунків дисперсійних спотворень низькочастотних НШС сигналів, які виникають при їх розповсюдженні в іоносфері та магнітосфері Землі при використанні закона дисперсії , де - гірочастота електронів. Оцінено вплив регулярної неоднорідності середовища, дисперсії поглинання та розсіяння випадковими неоднорідностями середовища. Проведено порівняння отриманих результатів для низькочастотних НШС сигналів з результатами, що стосуються високочастоних НШС сигналів і є викладеними в попередній главі.

П'ята глава містить результати аналітичних та чисельних розрахунків дисперсійних спотворень високочастотних НШС сигналів, які розповсюджуються в міжпланетній плазмі.

В шостій главі розглянуто можливість використання НШС сигналів у системах дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору, планет сонячної системи, локації земної поверхні з борту космічного апарату, який перебуває на орбіті Землі. Дано стислу характеристику деяких найвідоміших існуючих радіофі-зичних методів, наведено параметри відповідних традиційних РТС, узагальнено рівняння дистанційного радіозондування в разі застосування НШС сигналів в цих методах, вказано на особливості використання таких сигналів в кожному випадку, зокрема, оцінено дисперсійні спотворення зондуючих імпульсів. Розраховано оптимальні параметри відповідних РТС, в яких запропоновано використовувати НШС сигнали. Вимоги до їх знаходження обумовлено, з одного боку, важливостю зменшення дисперсійних спотворень зондуючих імпульсів, що є можливим за умови зниження показника широкосмуговості сигналу, з другого боку, необхідностю збільшення останнього, що дозволяє розкрити переваги НШС сигналів над вузькосмуговими та широкосмуговими сигналуми.

В Закінченні викладено основні результати роботи. Відзначено, що ряд положень та оцінок, які отримано в роботі, робить можливим по-новому подивитись на доцільність застосування НШС сигналів для дистанційного радіозондування навколоземного космічного простору та планет сонячної системи, а також радіолокації земної поверхні з борту штучного супутника Землі.

Висновки

1. Розроблено дійсні моделі НШС сигналів, які зручно використовувати для проведення аналізу як в часовій, так і в спектральній областях. Доповнено вимоги до них. Зараз ці вимоги є достатніми для дійсних моделей НШС сигналів. На основі аналітичної апроксимації багаточисельних опублікованих експериментальних даних створено просту модель частотнозалежної завади в каналі дистанційного радіозондування, яку можна використовувати для аналізу характеристик НШС сигналу при наявності завад в диапазоні частот 1-1000 МГц.

2. Рівняння дистанційного радіозондування узагальнено на випадок застосування НШС сигналів при дослідженні розподіленої цілі.

3. Отримано аналітичні та чисельні результати розв'язання задачі про розповсюдження високочастотних НШС сигналів у плазмових середовищах, що мають закон дисперсії . З'ясо-вано вплив дисперсій поглинання та розсіяння випадковими неоднорідностями концентрації електронів. Результати можна використовувати для оцінки цих ефектів в іоносфері Землі.

4. Отримано аналітичні та чисельні результати розв'язання задачи про розповсюдження низькочастотних НШС сигналів у плазмових середовищах, в яких закон дисперсії є . Оцінено вплив дисперсій поглинання та розсіяння випадковими неоднорідностями концентрації електронів. Результати можна використовувати для оцінки цих ефектів у верхній іоносфері та магнітисфері Землі.

5. Отримано аналітичні та чисельні результати розв'язання задачі про розповсюдження високочастотних НШС сигналів у міжпланетному середовищі. Оцінено вплив дисперсій поглинання та розсіяння випадковими неоднорідностями концентрації електронів.

6. Спотворення НШС сигналів, що виникають у плазмових середовищах з наведеними вище законами дисперсії, полягають у наступному. Чим більшою є відстань, яку долає сигнал в середовищі, тим більшою стає його відносна довжина, зменшується амплітуда в максимумі обвідної, про яку можна казати по мірі зростання кількості пелюсток НШС сигналу, виникає затримка переднього фронту сигналу та максимуму його обвідної в системі координат, яка рухається в той же бік, що і сигнал зі швидкостю світла. Урахування дисперсій поглинання та розсіяння призводить до схожих ефектів, а саме, до подавлення найбільш низькочастотних спектральних компонентів, чому в часовій області відповідає подавлення хвосту сигналу, зменшення його відносної довжини, амплітуди обвідної, часу затримки переднього фронту та максимуму обвідної.

7. Встановлено, що НШС сигнали доцільно використовувати в методах мезосферно-тропосферно-стратосферної радіолокації, часткових відбиттів, зондування земної поверхні з борту космічного апарату. Оцінено оптимальні параметри відповідних РТС. Разом з цим залишається відкритим питання про доцільність використання НШС сигналів в методах некегерентного розсіяння та зондування планет сонячної системи через дуже великі дисперсійні спотворення зондуючих імпульсів. Застосування НШС сигналів в цих методах, в першу чергу, дозволить підвищити на декілька порядків просторові характеристики методів, а також істотно збільшити інформативність кожного з них.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Теоретична модель НШС сигналів: форма, тривалість та енергія сигналу, його показник широкосмуговості, автокореляційна функція та функція спектральної щільності, її мінімальна та максимальна частоти.

2. Компьютерна програма для розрахунку дисперсійних спотворень високочастотних НШС сигналів в іоносфері й міжпланетній плазмі та низькочастотних НШС сигналів в іоносфері й магнітосфері з урахуванням регулярної нооднорідності концентрації електронів за наявності дисперсій фазової швидкості, поглинання та розсіяння.

3. Результати аналітичних і чисельних розрахунків спотворень НШС сигналів, а саме, зміни форми, тривалості та енергії сигналу, його показника широкосмуговості, автокореляційної функції та функції спектральної щільності, її мінімальної та максимальної частот, які викликано дисперсіями фазової швидкості, поглинання та розсіяння в плазмових середовищах (іоносфері, магнітосфері та міжпланетному середовищі).

4. Рівняння дистанційного радіозондування, яке узагальнено на випадок використання надширокосмугових сигналів при дослідженні розподілених цілей.

Основні результати дисертації викладено в роботах

1. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Дисперсионные искажения высокочастотных сверхширокополосных радиосигналов в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. - 1997.-Т.37-N6.-С. 80-90.

2. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Особенности уравнения радиолокации распределенных целей при использовании сверхширокополосных сигналов // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. -1997. - N103. - С. 31-34.

3. Лазоренко О.В., Чорногор Л.Ф. Математичне моделювання дисперсійних спотворень надширокополосних радіосигналів у плазмових середовищах // Вістник ЖІТІ. Технічні науки. -1997. - N6. - С. 81-85.

4. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Дисперсионные искажения высокочастотных сверхширокополосных сигналов в межпланетной плазме // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. -1998. - N105.-С. 53-56.

5. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. О возможности использования сверхширокополосных сигналов для дистанционного радиозондирования околоземной среды и земной поверхности // Матер. 4 Крым. конф. и выст. «СВЧ-техн. и спутников. прием». Том 2.-Севастополь. - 1994.-С. 221-222.

6. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Особенности распространения сверхширокополосных сигналов в атмосфере и ионосфере Земли // Матер. 4 Крым. конф. и выст. «СВЧ-техн. и спутников. прием». Том 1. - Севастополь. - 1994.-С. 123-124.

7. Лазоренко О.В. Аналитические модели сверхширокополосных сигналов и численное моделирование искажений их формы и спектрального состава // Матер. 2-й конф. «Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе». - Харьков. - 1996.-С. 30.

8. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Численное моделирование дисперсионных искажений сверхширокополосных сигналов в плазменных средах // Матер. 2-й конф. «Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе». - Харьков. - 1996.-С. 31.

9. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Анализ характеристик сверхширокополосных сигналов различной физической природы в задачах геофизического мониторинга околоземного пространства // Матер. Междунар. симп. «Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики». - Томск. - 1996.-С. 85-86.

10. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. О возможности использования сверхширокополосных радиосигналов для мониторинга околоземного космического пространства // Матер. Междунар. симп. «Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики». - Томск. - 1996.-С. 86-87.

11. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Дисперсионные искажения сверхширокополосных радиосигналов в неоднородных плазменных средах // Матер. 6-й Международн. Крым. конф. «СВЧ-техн. и телекоммун. технологии». - Севастополь. - 1996.-С. 404-406.

12. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Сверхширокополосные сигналыестественного и искусственного происхождения в околоземном космическом пространстве // Матер. 6-й Международн. Крым. конф. «СВЧ-техн. и телекоммун. технологии». - Севастополь. - 1996.-С. 407-408.

13. Chernogor L.F., Lazorenko O.V. Dіspersіve dіstorsіon of hіgh-frequency ultrawіdeband sіgnals propagatіng іn near-to-earth space // Proc. 1996 AP-S Іnternatіonal Symposіum & URSІ Radіo Meetіng, July 21-26, 1996, Baltіmor, Maryland. - Baltіmor. -1996. - Vol.3. - P.2248-2251.

14. Oleg V. Lazorenko. Applіcatіon of the Wavelet Transform to Analysіs of Ultra-Wіdeband Processes // Proc. VІІth Іnternatіonal Conference on Mathematіcal Methods іn Electromagnetіc Theory, June 2-5, 1998, Kharkov. - Kharkov. -1998. - P.621.

15. Leonіd F. Chernogor and Oleg V. Lazorenko. The radar equatіon for remote radіo soundіng of dіsrіbuted targets wіth ultra-wіdeband radіo sіgnals // Proc. VІІth Іnternatіonal Conference on Mathematіcal Methods іn Electromagnetіc Theory, June 2-5, 1998, Kharkov. - Kharkov. -1998. - P.457-458.

Размещено на Allbest.ru