Размещено на http://www.allbest.ru/

Пелюшенко Сергей Анатольевич

ПАССИВНО-АКТИВНАЯ РАДИОМЕТРИЯ В ДИСТАНЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Специальнось 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород 2007

Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Федерального агентства по науке и инновациям (ФГНУ «НИРФИ» Роснауки, г. Н. Новгород).

радиометрический радиоизлучение шумовой сигнал

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Кисляков Альберт Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Андреев Герман Андреевич,

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Зинченко Игорь Иванович,

доктор физико-математических наук, профессор Пирогов Юрий Андреевич,

Ведущая организация:

Нижегородский Государственный университет им. Н.И. Лобачевского (г. Н. Новгород)

Защита состоится «21» декабря 2007 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 при Институте радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН) по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан «___»___________2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.231.03

к.ф.-м.н. Перцовский М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Методы пассивной радиометрии в радиофизических исследованиях получили широкое развитие в начале 50-60 годов. Развитие радиометрических методов было связано с успехами их применения в радиоастрономии, в исследованиях условий распространения радиоволн в природных средах, дистанционных исследованиях окружающей среды по наблюдаемой интенсивности собственного теплового радиоизлучения и в технике антенных измерений. Практика применения в микроволновом диапазоне длин волн метода пассивной радиометрии при исследованиях окружающей среды и в технике антенных измерений выявила ряд ограничений этого метода по точности измерений, связанных с условиями формирования сигнала от объекта (контраста) относительно излучения фона (сцены). Максимальный контраст наблюдается от металлических объектов, наблюдаемых на фоне с высокой излучательной способностью и отражающих в направлении приемной антенны излучение атмосферы из направления зенита: . В микроволновом диапазоне длин волн эти ограничения в ряде случаев носят принципиальный характер. Эти ограничения определяются существенным уменьшением контраста от объекта при наблюдениях в частотных диапазонах вблизи линий поглощения атмосферных газов, особенно в неблагоприятных метеоусловиях, что существенно снижает возможности применения методов пассивной радиометрии при исследованиях окружающей среды и в антенных измерениях. В наибольшей степени эти ограничения проявляются при проведении радиометрических измерений в лабораторных условиях. Аналогичные ограничения возникают в длинноволновом диапазоне длин волн при наблюдениях объектов на фоне атмосферы за счет роста интенсивности распределенного фонового космического излучения.

Определение физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым радиационным контрастам в микроволновом диапазоне длин волн связано также с необходимостью учета технических характеристик приемной антенны и средств измерений. Кроме того, в связи с освоением терагерцового диапазона длин волн, указанные выше ограничения на условия формирования сигнала от исследуемых объектов являются определяющими при исследованиях природной среды, что существенно уменьшает эффективность применения методов пассивной радиометрии при радиофизических исследованиях объектов окружающей среды как в условиях натурных наблюдений, так и в условиях закрытых помещений.

Поиск направлений в преодолении ограничений метода пассивной радиометрии и расширении рабочего диапазона длин волн представляется чрезвычайно актуальной задачей.

Другой актуальной задачей на современном этапе развития методов пассивной радиометрии является повышение точности определения физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым контрастам с поляризационными характеристиками, существенно отличающимися от фонового излучения за счет исключения неопределенности параметров измерительной радиометрической системы и уменьшения влияния вариаций условий контрастообразования на результаты измерений. Одним из направлений преодоления существующих ограничений методов пассивной радиометрии является развитие метода поляризационных радиометрических измерений, который был разработан и впервые реализован в НИРФИ для дистанционного контроля температуры водной поверхности по наблюдаемой интенсивности собственного теплового излучения на ортогональной поляризации.

Указанные выше обстоятельства дают основания считать, что тематика исследований, представленная в диссертации, является актуальной для современной радиофизики в части, которая связана с развитием радиометрических методов в исследованиях окружающей среды и технике антенных измерений.

Цели работы

1. Развитие метода пассивно-активной радиометрии и принципов построения устройств пассивно-активной радиометрии обеспечивающего высокую точность измерений параметров антенн в широком диапазоне длин волн, включая микроволновый диапазон длин волн вне окон прозрачности атмосферы, который сравним по точности с методом калибровки по «черным» дискам.

2. Развитие поляризационных радиометрических методов дистанционных измерений физических параметров двухслойных сред на поверхности воды методически исключающих влияние характеристик приемной антенной системы и существенно уменьшающих влияние вариаций метеорологических условий на формирование поляризационных контрастов, а также разработка устройств дистанционных измерений параметров разливов нефти на поверхности воды по наблюдаемым поляризационным контрастам.

Научная новизна. Достижение поставленных целей в области дистанционного зондирования и антенных измерений в диссертации предложено решать методом пассивной и пассивно - активной радиометрии с использованием подсветки объекта исследований мощным источником широкополосного шумового сигнала. Эффективность метода пассивно-активной радиометрии была впервые продемонстрирована при измерениях коэффициента отражения эталонного «черного» диска в составе комплекса абсолютных измерений по методу «искусственной» Луны, когда в качестве источника внешней шумовой подсветки использовалось радиоизлучение Солнца.

Совершенствование СВЧ технологий и разработка промышленных электронных твердотельных генераторов широкополосного шумового сигнала в НИИ «Исток» положило основу развития направления пассивно-активной радиометрии и практического применения пассивно-активной радиометрии, которое было развито в работах сотрудников ИРЭ РАН Тищенко Ю.Г., Полякова В.М. и Калинкевича А. А., а также в работах сотрудников ЦНИИРЭС, ВНИИТрансмаш, НИРФИ и ИПФ РАН для решения задач: измерения параметров антенн радиофизическими методами, медицинской диагностики, исследований внутренней структуры пространственно неоднородных сред и подповерхностного зондирования, в измерениях отражательных характеристик объектов.

Решение задачи по развитию метода пассивно-активной радиометрии потребовало рассмотрения основных энергетических соотношений, которые связывают мощность сигнала подсветки с мощностью эхо-сигнала, отраженного объектом исследований в направлении приемной антенны. Принципы метода пассивно-активной радиолокации близки принципам традиционной радиолокации, однако отличаются от последней спецификой широкополосного шумового сигнала подсветки. Практическая реализация метода пассивно-активной радиометрии потребовала развития принципов построения систем пассивно - активной радиометрии и проведения оценки предельно достижимых характеристик пассивно-активных систем.

Дальнейшее развитие радиометрических методов дистанционного зондирования по определению физических параметров исследуемых объектов окружающей среды, для которых влияние параметров приемной антенной системы и аппаратуры на измеряемые физические параметры объектов методически исключаются, представлено на примере дистанционных измерений параметров разливов нефти на поверхности воды методом поляризационных контрастов в микроволновом диапазоне длин волн.

Необходимо отметить, что многие методические вопросы определения толщины пленки нефти методами пассивной радиометрии оставались открытыми, что тормозило внедрение результатов исследований в практику измерений толщины пленки нефти в разливе на поверхности воды, являющуюся актуальной при разработке радиометрических приборов экологического контроля в районах чрезвычайных ситуаций. Теоретические основы радиоизлучения двухслойных сред были рассмотрены достаточно подробно, однако развитые и апробированные методы радиометрического зондирования (метод радиационных контрастов, метод частотного анализа и др. ) имеют существенные ограничения по точности измерений параметров разлива нефти, т.к. оценки значений контролируемых параметров разлива нефти требовали для определения толщины пленки нефти по наблюдаемым радиационным контрастам привлечения расчетных параметров излучения атмосферы и параметров приемной антенны. Проблему измерений физических параметров пленки нефти в разливе на поверхности воды в диссертации предложено решать с применением радиометрического метода поляризационных контрастов, эффективность которого была впервые продемонстрирована при дистанционных измерениях температуры водной поверхности.

Решение задачи по развитию радиометрического метода поляризационных контрастов для контроля параметров разливов нефти на водной поверхности в отсутствии волнения потребовало как рассмотрения условий формирования радиационного контраста участка с разливом нефти в микроволновом диапазоне длин волн относительно опорной области, так и проведения экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях. Реализация поляризационного радиометрического метода для контроля параметров разлива нефти вызвало необходимость разработки приемной аппаратуры, автоматизированной системы обработки данных и создания стендового оборудования для отработки методики проведения исследований.

В данной работе акцент ставился на дальнейшее развитие методов пассивной и пассивно-активной радиометрии, а также на выработку рекомендаций к техническому решению приборов промышленного применения в интересах государственных органов экологического контроля.

Представленные в диссертации результаты развития методов пассивной и пассивно-активной радиометрии защищены авторскими свидетельствами и патентом.

Развитый в диссертации метод пассивно - активной радиометрии и дальнейшее развитие радиометрического метода поляризационных контрастов существенно расширяют возможности традиционных методов радиометрии в исследованиях окружающей среды и технике антенных измерений, повышают их точность и оперативность, что позволяет получить новую информацию о физических характеристиках исследуемых сред. Полученные в диссертации новые результаты, можно определить как крупное научное достижение - разработка и развитие новых методов физических исследований, создание новых аппаратурных комплексов и устройств, имеющих большое народно хозяйственное значение, значительно повышающих возможности дистанционных измерений в области экологического мониторинга и в области антенных измерений. Представленные в диссертации результаты измерений поляризационных контрастов радиоизлучения водной поверхности с пленкой нефти получены впервые и их приоритет получил международное признание.

Научное и практическое значение

Практическое значение проведенных разработок заключается в следующем:

а) Для решения задач антенной техники.

- Разработаны и развиты методы пассивно-активной радиометрии для абсолютной калибровки эффективной площади антенн при подсветке отражателя с известным радиолокационным поперечником рассеяния внешним источником широкополосного шумового сигнала. Показано, что в однопозиционной схеме пассивно-активной радиометрии эхо-сигнал при определенных условиях является эталонным при абсолютных измерениях эффективной площади антенны.

- Сравнением результатов одновременных измерений эффективной площади антенны РТН-7 по методу «искусственной Луны» и по методу пассивно-активной радиометрии - показано, что данные методы обеспечивают сопоставимую абсолютную точность измерений эффективной площади антенн 2-3%.

- Показано, что метод пассивно - активной радиометрии позволяет проводить дистанционные измерения коэффициента отражения эталонов излучения «черных» дисков, что обеспечило введение в строй радиоастрономического комплекса в составе вантового радиотелескопа РТВС-12 и «черного» диска диаметром 5 м для абсолютных измерений плотности потоков внегалактического радиоизлучения в метровом диапазоне длин волн.

- Изучены физические условия формирования радиационных контрастов при подсветке объектов шумовым сигналом и развиты принципы построения однопозиционной и двухпозиционной пассивно-активных систем в технике антенных измерений. Представлен анализ ограничений метода пассивно-активной радиометрии при однопозиционной и двухпозиционной схеме дистанционного зондирования параметров окружающей среды.

- Обосновано и показано, что для однопозицинной схемы пассивно-активной радиометрии потенциал метода ограничен по дальности зондирования предельно возможным уровнем сигнала подсветки за счет конечной развязку между сигналом подсветки и входным трактом радиометра.

- Показано, что при двухпозиционной схеме пассивно-активной радиометрии ограничения на величину сигнала подсветки уменьшаются на 8 порядков, что существенно увеличивает дальность измерений.

- Решена задача измерений диаграммы направленности антенн методом пассивно-активной радиометрии. Показано, что использование метода пассивно-активной радиометрии позволяет измерять диаграммы направленности антенн в частотном диапазоне вне «окон прозрачности» атмосферы, а использование активных отражателей позволяет в принципе проводить исследования характеристик антенн с большой апертурой раскрыва в том числе антенн космического базирования при использовании активных радиолокационных отражателей - АРК

- Решена в аналитическом виде обратная задача и разработан алгоритм определения диаграммы направленности антенны в пределах главного и первых боковых лепестков по форме сигнала на выходе радиометра при сканировании протяженного источника с размерами, сопоставимыми с шириной диаграммы направленности. Проведено численное моделирование и определены в реальном масштабе времени средние значения и погрешности таких параметров: ширина диаграммы, направление электрической оси, уровень боковых лепестков по методу приближения наименьших квадратов, что позволяет существенно повысить эффективность контроля параметров антенн в процессе измерений в режиме пассивно активной радиометрии.

б) для решения задачи дистанционных измерений:

- Развит и реализован метод прецизионных дистанционных измерений поляризационных характеристик радиоизлучения пленок нефти на поверхности воды в отсутствии волнения, который по сравнению с известным методом интенсивности и спектральным методом позволяет исключить влияние параметров приемной антенной системы, а также вариаций собственного излучения атмосферы на измеряемые параметры пленок нефти на воде.

- Разработан алгоритм исключения неоднозначности измерений толщины толстых пленок нефти на поверхности воды по данным наблюдений на двух углах визирования или на трех частотах, а также выработан критерий оптимального выбора рабочих частот измерений, что позволяет существенно расширить диапазон однозначных измерений толщины пленки нефти.

- Решена задача построения пассивно - активных радиометрических систем, в которых реализуются одновременный режим независимых измерений в пассивном режиме и в режиме активной подсветки, что обеспечивает получение данных как об излучательных, так и отражательных характеристиках исследуемых объектов. .

в) Для решения задачи по разработке действующих макетов радиометрических приборов дистанционного контроля параметров разливов нефти по данным измерений поляризационных контрастов в натурных условиях:

- Созданы стенды для лабораторных измерений методом пассивно-активной радиометрии поляризационных контрастов пленок нефти на поверхности воды, а также для проведения поверочных испытаний приборов контроля параметров разливов нефти. Проведены экспериментальные измерения излучательной способности пленок нефти в диапазоне толщины от 0 до 12 мм при вертикальном зондировании и поляризационных контрастов при зондировании под углом 55⁰ на ортогональной поляризации. Данные стенды могут быть использованы для проведения дистанционных исследований излучения водной поверхности при наличии загрязнения и при наличии волнения.

- Преложен алгоритм исключения влияния облачности на точность измерений поляризационных характеристик излучения водной поверхности с разливами нефти при проведении обзорных наблюдений с борта воздушного носителя. Данный алгоритм может быть использован в перспективных разработках обзорных систем экологического мониторинга бортового и наземного базирования.

- Разработаны структурные и технические решения промышленных образцов двухчастотного радиометричеcкого прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «КТС-ПРМ» и трехчастотного радиометричеcкого прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «ПРИНТ-3», которые сертифицированы и утверждены Госстандартом РФ как средства измерений.

- Разработана промышленная партия приборов «ПИНТ-3», которые включены в состав технических средств региональной сети экологического мониторинга разливов нефти в составе 9 отделений Управления по охране окружающей и природной среды Ханты-Мансийского автономного округа.

Разработки систем автоматического управления измерительно-вычислительных комплексов на базе микро- ЭВМ, автоматизированных методик измерений параметров антенн в микроволновом диапазоне длин волн, математического и программного обеспечения измерений могут быть полезны в практической работе различных групп исследователей, занимающихся не только тематикой дистанционных и антенных измерений.

Кроме того, результаты диссертации могут быть практически использованы при разработке систем радиовидения микроволнового и терагерцового диапазонов длин волн, медицинской диагностики, широкополосных систем радиосвязи и систем технологического контроля в различных областях науки и техники.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Развит и апробирован в дистанционных антенных измерениях пассивно - активный метод абсолютной калибровки эффективной площади антенн с подсветкой эталонного отражателя широкополосным шумовым сигналом, который сопоставим по точности абсолютных измерений с методом «черных» дисков - 2-3%..

2. Разработка принципов построения и технической реализации однопозиционной и двухпозиционной схемы пассивно-активной радиометрии, а также результаты оценки предельной точности измерений параметров антенн и дистанционного зондировании физических характеристик природных сред.

3. Разработка пассивно-активного радиометрического метода для определения в реальном времени параметров антенных систем (ширина диаграммы направленности, положение электрической оси, точности наведения, уровня боковых лепестков антенны) при сканировании через протяженный источник.

4. Разработка и реализация метода поляризационных контрастов для дистанционных измерений характеристик радиоизлучения двухслойных сред на примере определения параметров разливов нефти на поверхности воды в отсутствии волнения, позволяющего по сравнению с известными радиометрическими методами исключить влияние параметров приемной антенной системы и вариаций метеоусловий на измеряемые параметры пленок нефти на воде.

5. Разработка принципов построения, структурных и технических решений промышленных образцов двухчастотного поляризационного радиометричеcких приборов типа «КТС-ПРМ» и трехчастотного типа «ПРИНТ-3» для контроля параметров разливов нефти на поверхности воды, сертифицированных и утвержденных Госстандартом РФ как средства измерений, и разработка стендов метрологического обеспечения для проведения натурных и поверочных испытаний приборов контроля параметров разливов нефти.

Апробация работы.

Содержание диссертации отражено в работах [1-56]. Результаты работы по теме диссертации докладывались на следующих отечественных и международных конференциях, совещаниях и симпозиумах:

«Методические вопросы определения температуры биологических объектов радиофизическими методами» (г. Звенигород, 1983), «ВКАИ-3» (г. Ереван, 1984), «ТЕМП-85» (г. Фрунзе, 1985), (г. Москва, 1986), «ТЕМП-88» (г. Ленинград, 1988), Конференция по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн (г. Харьков, 1992), «Радиоприем и обработка сигналов» (г. Н. Новгород, 1993, «ТЕМП-94» (г. Санкт-Петербург, 1994), Second Int. Oil Spill Research and Development Forum (London, UK, 1995), The 21st Annual Conference of the Remote Sensing Society (RSS'95) (University of Southampton, UK, 1995), «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (г. Москва, 1995), «Прикладная оптика-96 - ТеМП-96» (г. Санкт-Петербург, 1996), Black Sea Region Symposium on applied electromagnetism ( Metsovo, 1996), «Прикладная оптика-96. ТЕМП-96» (г. Санкт-Петербург, 1996), The Third International Airborn Conference an Exhibition (Copenhagen, Denmark, 1997), SPIE The Annual international Symposium On AeroSpacе (. Orlando, USA, 1997), The Fifth International Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments (Miami, USA, 1998), 3-я научная конференция по радиофизике (г. Н. Новгород, 1999), “Проблемы радиосвязи” (г. Н. Новгород, 1999), 5-я научная конференция по радиофизике (г. Н. Новгород, 2002), 5-я научная конференция по радиофизике (г. Н. Новгород, 2002), “Распространение радиоволн” (г. Н. Новгород, 2002), 6-я научная конференция по радиофизике (г.Н. Новгород, 2002), «Экология - 2003» (г. Москва, 2003), «Транспорт ХХI века» (г. Н. Новгород, 2003), «Распространение микроволн в природных средах» (г. Нижний Новгород, 2003), «Распространение микроволн в природных среда» (г. Н. Новгород, 2004), Всероссийский семинар по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (г. Н. Новгород, 2005), "Дистанционное обнаружение и диагностика людей с помощью радиолокационных средств" (г. Москва, 2005).

Результаты работ, полученные автором, представлялись и отмечены на выставках и международных салонах: Бронзовая медаль за достижения в народном хозяйстве (г. Москва, ВДНХ, 1983), Золотая медаль и Диплом 30-го Международного салона изобретений (г. Женева, 2002), Диплом Третьей специализированной выставки «ЮГРА 2003 - ЭКОЛОГИЯ» (г. Ханты-Мансийск, 2003), Диплом 3-го Всероссийского съезда и выставки по охране окружающей природной среды (г. Москва, 2003), Бронзовая медаль и Диплом IV Московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, 2004),

Результаты диссертации опубликованы в 12 статьях в основных журналах, рекомендованных ВАК, 1 приглашенной статье в международном журнале, 32 статьях в трудах конференций, 3 препринтах, 3 научно-технических отчетах, 5 тезисах докладов научных конференций, автором получено 2 авторских свидетельства и патент на изобретение. Получено 2 сертификата Госстандарта РФ утверждения типа средств измерений на разработанные приборы «КТС-ПРМ» и «ПРИНТ-3». Без соавторов - 3 публикации и 1 авторское свидетельство. Все работы опубликованы после защиты кандидатской диссертации (июнь 1982 года). Всего по теме диссертации опубликовано 54 работы.

Личный вклад.

Результаты работ представленные в диссертации получены С.А. Пелюшенко лично или в соавторстве. В выполненных с соавторами работах автору принадлежит идея методов и разработка принципов построения устройств, постановка задачи, основные подходы и методы решения как в теоретической, так и в практической реализации. Большой объем экспериментальных и конструкторских работ не мог быть выполнен без поддержки специалистов широкого профиля, которые участвовали в составлении программ, численных расчетов, проведении экспериментов, обработке данных измерений, обсуждении результатов, разработке принципиальных схем радиометрической аппаратуры и измерительных комплексов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 206 страниц текста, включая иллюстрации и 101 ссылку на цитируемую литературу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность рассматриваемой темы диссертации, изложено современное состояние развития радиометрических методов радиофизических исследований окружающей среды и в технике антенных измерений, сформулированы цели данной работы, отмечена теоретическая и практическая значимость работы, приведены результаты, выносимые на защиту и личный вклад автора.

Глава 1 посвящена проведению анализа ограничений методов пассивной радиометрии при определении физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым радиационным контрастам и обоснованию развития направления пассивно-активной радиометрии с подсветкой широкополосным шумовым сигналом при проведении радиофизических исследований объектов окружающей среды.

В Разд.1.1 рассмотрены условия формирования радиационных контрастов исследуемых объектов и проведен анализ ограничений метода пассивной радиометрии. Показано, что эти ограничения связаны с уменьшением контраста от объекта исследований при наблюдениях в частотных диапазонах вблизи линий поглощения атмосферных газов, при наблюдениях на углах, близких к горизонту, и в неблагоприятных метеоусловиях. В микроволновом диапазоне длин волн, как видно из графика частотной зависимости радиационной температуры излучения атмосферы при различных углах наблюдения, приведенного на рис.1, максимальный контраст имеют металлические объекты на подстилающем фоне с высокой излучательной способностью при отражении в направлении приемной антенны излучение атмосферы из направления в зенит: . Отмеченные ограничения в ряде случаев носят принципиальный характер, что существенно снижает возможности применения методов пассивной радиометрии при исследованиях окружающей среды и в антенных измерениях.

Наиболее существенно эти ограничения проявляются при проведении радиометрических измерений в лабораторных условиях. Аналогичные ситуации существуют в длинноволновом диапазоне длин волн при наблюдениях объектов на фоне атмосферы за счет роста интенсивности распределенного фонового космического излучения. Определение физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым радиационным контрастам в микроволновом диапазоне длин волн связано также с необходимостью учета технических характеристик приемной антенны и средств измерений. На основе результатов проведенного анализа обосновано развитие направления пассивно-активной радиометрии с подсветкой широкополосным шумовым сигналом при проведении радиофизических исследований объектов окружающей среды.

В Разд. 1.2 отмечено, что подсветка объекта широкополосным шумовым сигналом собственного теплового излучения окружающих предметов является одним из существенных сопутствующих факторов формирования радиационного контраста, который учитывается при проведении измерений физических характеристик объектов методами пассивной радиометрии. В исключительных случаях подсветка объекта мощным широкополосным шумовым сигналом собственного теплового излучения, например, радиоизлучением Солнца, использовалась при проведении измерений физических характеристик объекта.

Совершенствование СВЧ технологий и разработка промышленных электронных твердотельных генераторов широкополосного шумового сигнала в НИИ «Исток» положило основу развитию метода пассивно-активной радиометрии и его практического применения, которое было развито в прикладных работах сотрудников ИРЭ РАН Тищенко Ю.Г., Полякова В.М. и Калинкевич А.А., а также в работах сотрудников НИРФИ и ИПФ РАН для решения задач: , в измерениях

Развитие технологии СВЧ генераторов шумового сигнала с высокой спектральной плотностью мощности положило основу развитию метода пассивно-активной радиометрии и его практического применения, которое было развито в прикладных работах сотрудников ИРЭ РАН Тищенко Ю.Г., Полякова В.М. и Калинкевича А.А., а также в работах сотрудников НИРФИ и ИПФ РАН для решения прикладных задач: дистанционных измерений параметров антенн, в медицинской диагностике, в исследованиях внутренней структуры пространственно неоднородных сред и при подповерхностном зондировании.

Постановка задачи по измерению отклика сигнала подсветки от наблюдаемого объекта совпадает с постановкой аналогичной задачи в радиолокации. Энергетическое соотношение, которое связывает мощность принятого сигнала по отношению к излученной мощности в традиционной радиолокации хорошо известно и в случае подсветки объекта широкополосным шумовым сигналом для мощности излученного и принятого антенной сигналов справедливо радиолокационное уравнение дальности выраженное в терминах, принятых в пассивной радиометрии:

. (1)

Как и в традиционной радиолокации, если подсветка и прием сигнала ведется с использованием незави-симых антенн, то реализуется схема двухпозиционной пассивно-активной радиометрии (рис.2), а при использо вании одной совмещенной приемо-передающей антенны реализуется схема однопозиционной пассивно-активной радиометрии (рис.3) и в этом случае можно в уравнении (1) положить: == и ==.

Рассмотрены предельные ограничения различных схемных решений систем пассивно - активной радиометрии и показано, что в однопозиционной схеме подсветки невозможно реализовать в полной мере потенциально высокий потенциал при дистанционном зондировании и при проведении антенных измерений за счет принципиальных ограничений на предельно достижимые технические характеристики СВЧ узлов, которые обеспечивают включение генератора подсветки в входной СВЧ тракт.

По результатам проведенного анализа показано, что пассивно-активная радиометрическая система имеет ту же дальность действия, как и традиционная РЛС, но при существенно меньшей спектральной плотности мощности зондирующего сигнала.

Проведены оценки потенциала систем пассивно-активной радиометрии по дальности действия и точности дистанционных измерений физических характеристик объектов как в однопозиционной, так двухпозиционной схеме дистанционного зондирования. Представлены результаты исследований аппаратурных ограничений систем пассивно-активной радиометрии по точности измерений, и выработаны рекомендации технических решений приборов для одновременных измерений в режиме пассивной радиометрии и в пассивно - активно режимах в технике антенных измерений и в прикладных исследованиях.

Глава 2 посвящена развитию метода пассивно-активной радиометрии в области прикладных дистанционных исследованиях отражательных характеристик объектов и в технике измерений характеристик антенн.

В Разд. 2.1 рассмотрены особенности метода пассивно-активной радиометрии и аппаратуры для измерений коэффициента отражения радиопоглощающих материалов, в том числе эталонных дисков, в установках абсолютной калибровки усиления антенн по методу «искусственной» Луны.

Задача измерений коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия «черного» диска технически решается при использовании однопозиционной схемы пассивно-активной радиометрии (рис.4). В однопозиционной схеме пассивно - активной радиометрии в режиме измерений коэффициента отражения «черный» диск подсвечивается через приемо-передающую антенну модулированным шумовым сигналом в рабочей полосе частот измерительного радиометра.

Коэффициент отражения определяется при этом непосредственно по величине эхо-сигнала, отраженного «черным» диском и принятого той же антенной. Одним из достоинств данного метода является то, что в составе измерительной установки используется штатная антенна и штатный радиометрический приемник со встроенной системой подсветки шумовым сигналом.

Здесь же представлены результаты разработки аппаратуры (рис.5), реализующий метод пассивно-активной радиометрии при измерениях коэффициента отражения многослойных сред типа воздух-диэлектрик - вода, результаты которых (рис.6) свидетельствуют о высокой точности и эффективности метода пассивно-активной радиометрии при исследованиях физических характеристик двухслойных сред.

Данный метод внедрен при исследованиях излучательных характеристик протяженных неоднородных сред и биологических объектов.

Разд. 2.2 посвящен развитию метода и приборов пассивно-активной радиометрии при проведении измерений эффективной площади и диаграммы направленности антенн.

В разработанном автором методе пассивно-активной радиометрии (метод подсветки) измерения эффективной площади антенны проводятся сравнением полной мощности шумового сигнала подсветки , излучаемой исследуемой антенной, с уровнем мощности эхо-сигнала, отраженного плоским диском - стандартом эффективной поверхности рассеяния, расположенным в дальней зоне исследуемой антенны (рис. 7). При выборе размеров отражающего диска, в соответствии с выработанными рекомендациями, эффективная площадь антенны на рабочей длине волны определяется из простого соотношения:

, (2)

где - величина эхо-сигнала от диска, -величина сигнала подсветки, - угловые размеры эталонного диска.

Представлены результаты апробации метода пассивно-активной радиометрии при проведении абсолютных измерений эффективной площади радиотелескопа РТН-7 по величине эхо-сигнала от эталонного отражателя, которые показали, что абсолютная точность измерений эффективной площади антенн сопоставима с точностью измерений по методу «искусственной» Луны.

Проведены исследования возможностей метода пассивно-активной радиометрии при измерениях диаграммы направленности антенны. Результаты исследований показывают, что метод пассивно - активной радиометрии существенно расширяет возможности радиометрических методов при измерениях параметров антенн и не имеет ограничений по частотному диапазону. Проведено теоретическое обоснование определения параметров диаграммы направленности при сопоставимых размерах ширины главного лепестка диаграммы направленности и размеров эталонного источника. Данный результат имеет практическое значение при исследованиях параметров диаграммы направленности больших антенн методом пассивно-активной радиометрии, так как позволяет выбирать максимальные размеры эталонного отражателя, исходя из требований к величине эхо-сигнала для достижения высокой точности измерений.

Глава 3 посвящена развитию радиометрического метода поляризационных контрастов для измерений характеристик радиоизлучения многослойных структур на водной поверхности.

В Разд. 3.1 представлен обзор известных радиометрических методов исследований по обнаружению разливов нефти на поверхности воды по результатам измерений интенсивности радиоизлучения водной поверхности методом радиационных контрастов и методом спектрального анализа.

В Разд. 3.2 на основе анализа поляризационных характеристик излучения водной поверхности показано, что метод поляризационных контрастов позволяет исключить влияние неопределенности параметров антенн и вариации метеоусловий на результаты дистанционного измерения физических параметров пленок нефти в разливе на поверхности воды. На основе проведенного анализа условий формирования радиационных поляризационных контрастов от пленок нефти выработаны рекомендации по техническому решению приборов микроволнового диапазона для исследования характеристик излучения водной поверхности и определения физических параметров разливов нефти, которые были воплощены в промышленных приборах экологического мониторинга «КТС ПРМ-Н» и «ПРИНТ-3».

Глава 4 содержит описание автоматизированного поляризационного радиометрического комплекса, разработанного для исследований характеристик радиоизлучения водной поверхности. Приведены результаты измерений поляризационных характеристик излучения водной поверхности с пленкой нефти на длинах волн 8.8 и 24.6 мм и определения на их основе толщины пленки нефти на поверхности воды - рис.8, которые свидетельствуют о высокой эффективности метода поляризационных контрастов в широком диапазоне изменений метеоусловий.

В заключении обобщены основные результаты, полученные в диссертации, приводятся области применения методов пассивно - активной радиометрии и приводятся результаты, выносимые на защиту.

Основные результаты:

1. Развит и обоснован пассивно-активный радиометрический метод исследований окружающей среды с подсветкой исследуемых объектов широкополосным шумовым сигналом, который позволяет существенно расширить область применения дистанционного радиометрического зондирования.

На основе данных анализа условий формирования сигналов от объектов при радиотеплолокации показано, что этот метод имеет принципиальные ограничения применения в микроволновом диапазоне длин волн вблизи линий поглощения атмосферных газов и в длинноволновом диапазоне при высоком фоне космического излучения

Показано, что активная подсветка исследуемых объектов внешним широкополосным шумовым сигналом - метод пассивно-активной радиометрии позволяет исключить или же существенно снизить ограничения метода пассивной радиометрии (в том числе в условиях закрытых помещений и ограниченных полигонов).

Показано, что метод пассивно-активной радиометрии при дистанционных измерениях отражательных характеристик исследуемых объектов позволяет измерять их излучательную способность в условиях ограниченных полигонов и закрытых помещений.

2. Исследованы физические условия формирования радиационных контрастов при подсветке объектов шумовым сигналом и развиты принципы построения однопозиционной и двухпозиционной пассивно-активных систем для дистанционного зондирования исследуемых объектов и в технике антенных измерений.

Представлен анализ ограничений точности измерений методом пассивно-активной радиометрии при однопозиционной и двухпозиционной схеме дистанционного зондирования параметров окружающей среды.

Обосновано и показано, что для однопозицинной схемы пассивно-активной радиометрии потенциал метода ограничен по дальности зондирования предельно возможным уровнем сигнала подсветки за счет конечной развязку между сигналом подсветки и входным трактом радиометра.

Показано, что при двухпозиционной схеме пассивно-активной радиометрии ограничения на величину сигнала подсветки уменьшаются на 8 порядков, что существенно увеличивает дальность зондирования

Решена задача построения пассивно-активных радиометрических систем, в которых реализуются одновременный режим независимых измерений в пассивном режиме и в режиме активной подсветки.

3. Предложен, обоснован и разработан метод пассивно-активной радиометрии при измерениях параметров антенн.

Показано, что в однопозиционной схеме пассивно-активной радиометрии эхо-сигнал от отражателя с известным радиолокационным поперечником рассеяния при определенных условиях является эталонным при абсолютных измерениях эффективной площади и усиления антенны.

Сравнением результатов одновременных измерений эффективной площади антенны РТН-7 по методу «искусственной Луны» и по методу пассивно-активной радиометрии - показано, что данные методы обеспечивают сопоставимую абсолютную точность измерений эффективной площади антенн.

Решена задача измерений формы диаграммы направленности антенны методом пассивно-активной радиометрии.

Показано, что использование метода пассивно-активной радиометрии позволяет измерять диаграммы направленности антенн в частотном диапазоне вне «окон прозрачности» атмосферы, а использование активных отражателей позволяет проводить исследования характеристик антенн с большой апертурой раскрыва.

Решена в аналитическом виде обратная задача и разработан алгоритм определения диаграммы направленности антенны в пределах главного и первых боковых лепестков по форме сигнала на выходе радиометра при сканировании протяженного источника с размерами, сопоставимыми с шириной диаграммы направленности.

Проведено численное моделирование и определены в реальном масштабе времени средние значения и погрешности четырех параметров диаграммы направленности антенны: ширина диаграммы, направление электрической оси, разъюстировка и уровень боковых лепестков по методу приближения по наименьшим квадратам.

4. Предложен и обоснован метод поляризационных контрастов при измерениях характеристик радиоизлучения пленок нефти на поверхности воды при отсутствии волнения.

Показано, что известные радиометрические методы спектрального анализа и метод радиационных контрастов не обеспечивают высокой точности при проведении измерений характеристик излучения пленок нефти на поверхности воды вследствие неопределенности параметров антенны и параметров излучения атмосферы при наличии облачности.

Показано, что метод поляризационных контрастов при измерениях параметров пленок нефти на поверхности воды позволяет в диапазоне миллиметровых и сантиметровых длин волн исключить влияние характеристик приемной антенной системы и вариаций собственного излучения атмосферы на измеряемые параметры разливов пленок нефти.

Разработан алгоритм исключения неоднозначности определения толщины толстых пленок нефти на поверхности воды по данным наблюдений на двух углах визирования или на трех частотах, а также выработан критерий оптимального выбора рабочих частот измерений.

5. Созданы стенды для лабораторных исследований методом пассивно- активной радиометрии поляризационных контрастов пленок нефти на поверхности воды, а также для проведения поверочных испытаний приборов контроля параметров разливов нефти. Проведены экспериментальных измерения излучательной способности пленок нефти в диапазоне толщины от 0 до 12 мм при вертикальном зондировании и толщины пленки нефти методом поляризационных контрастов при зондировании под углом 55⁰ в отсутствии волнения.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны структурные и технические решения промышленных образцов двухчастотного радиометричеcкого прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «КТС-ПРМ» и трехчастотного радиометричеcкого прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «ПРИНТ-3», которые сертифицированы и утверждены Госстандартом РФ как средства измерений.

Разработана промышленная партия приборов «ПИНТ-3», которые включены в состав технических средств региональной сети экологического мониторинга разливов нефти в составе 9 отделений Управления по охране окружающей и природной среды Ханты-Мансийского автономного округа.

Решена задача исключения влияния облачности на точность измерений поляризационных характеристик излучения водной поверхности с разливами нефти при проведении обзорных наблюдений с борта воздушного носителя.

В представленной работе автором получены новые результаты, сформулированы и обоснованы положения, совокупность которых можно определить как крупное научное достижение - разработка и развитие новых методов физических исследований, новых методов антенных измерений и измерений физических параметров многослойных структур, создание новых аппаратурных комплексов и устройств, имеющих большое народно хозяйственное значение, значительно повышающих возможности дистанционных измерений в области экологического мониторинга и в области антенных измерений. Работы автора широко известны не только в России, но и получили международное признание

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пелюшенко С. А., Абсолютные измерения параметров антенн по методу подсветки //Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т.28, №3. С. 275.

2. Пелюшенко С. А., Миллер М. Е. К вопросу измерения коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия в диапазоне метровых волн // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31, №.4. С. 489-492.

3. А. с. № 1107077 СССР. Устройство для измерения коэффициента рассеяния антенны // Пелюшенко С. А. Бл. №29, 07.08.84.

4. Пелюшенко С. А., Ракуть И. В., Железняков Ю.А., Пелюшенко А.С. Исследование неоднородностей пространственно протяженных сред методом пассивно-активной радиометрии в миллиметровом диапазоне длин волн // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т.48, №10-11. С.890 - 898.

5. Пелюшенко С. А., Кисляков А.Г. Системы пассивно-активной радиометрии в дистанционном зондировании. // Изв. ННГУ. Радиофизика, вып 1(3), 2005 С. 18-26.

6. Миллер М. Е., Пелюшенко С. А., Цейтлин Н.М. Абсолютные измерения космического радиоизлучения в метровом диапазоне длин волн // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т.31, №10, С. 1147-1155..

7. Канаков В.А., Орехов Ю.И., Пелюшенко С.А., Ракуть И.В., Курбаков А.В. Антенны КВЧ-диапазона для систем радиовидения//Антенны. Вып.5(108), 2006. С. 13-16.

8. Ракуть И.В., Пелюшенко С.А., Железняков Ю.А., Пелюшенко А.С. .Исследования неоднородностей протяженных сред методом пассивно-активной радиометрии в миллиметровом диапазоне длин волн // Изв. вузов. Радиофизика.,2005, Т.48, №10-11, С. 890-898.

9. Pelyushenko S. A. Microwave radiometer System for the detection of oil slicks // Spill Sci. Techn. Bulletin. 1995. V.2, No.4. P.249-254

10. Пелюшенко С.А. К вопросу измерения диаграмм направленности антенн по протяженным радиоисточникам //Изв. вузов. Радиофизика. 1986, Т. 29, №3. С. 328-338.

11. Брянцев В. А., Ковалев В. А., Пелюшенко С. А., Рунов Н. Ю., Селин Ю.В. Проект бортового радиотехнического комплекса экологического мониторинга. // Проблемы информатизации. 1997. № 3. С.36-41.

12. Кротиков В. Д., Мордвинкин И. Н., Пелюшенко А.С., Пелюшенко С. А., Ракуть И. В. Радиометрические методы дистанционного зондирования разливов нефти на поверхности воды // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т.45, №3. С.243-253.

13. Пелюшенко С. А., Ракуть И. В., Кисляков А.Г., К вопросу определения поляризационных характеристик микроволнового излучения пленок нефти на поверхности воды по данным обзорных наблюдений с борта носителя // Вестник ННГУ, Радофизика, Вып 1(3), 2005. С. 26-33.

14. Пат. № 2227897 РФ. Измеритель толщины слоя нефти, розлитой на поверхности воды // Бирульчик В. П., Пелюшенко С. А., Советкин М. Ю., Чирков В. В., Шавин П. Б. Приоритет 20.06.2001.

15. Кротиков В. Д., Пелюшенко С. А., Никонов В. Н., Плечков В. М., Щуко О. Б. Радиоизлучение морской поверхности на волнах 8,6 и 1,3 см вблизи угла Брюстера // Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т.28, №2. С.139.

16. А. c. № 1617620, Генератор шума / Пелюшенко А. С., Кормилицин В. П., Дрягин Ю.А. Бл. №48, 30.12.90.

17. Пелюшенко С.А. Метод подсветки при абсолютных измерениях усиления антенн // Тез. докл. «ВКАИ-3», Ереван, 1984. С. 142.

18. Ракуть И. В., Пелюшенко С. А. Активно-пассивный радиометрический модуль с бифокальной антенной системой // Сб. докл. 6-й Всер. научно - техн. конф. «Радиоприем и обработка сигналов», Н.Новгород, 1993. С.54.

19. Канаков В. А., Ракуть И. В., Пелюшенко С. А., Сканирующий радио-метр-рефлектометр 8 мм диапазона для медицинской диагностики // Сб. докл. Междунар. конф. «ТЕМП-94», Санкт-Петербург, 1994. С. 70-72.

20. Кисляков А. Г., Колесов С. Н., Орлова М. Е., Пелюшенко С. А., Ракуть И.В., Активно-пассивный радиовизор для медицинской диагностики в 8-мм диапазоне длин волн // Сб. докл. Междунар. конф. «Радиоэлектроника в медицинской диагностике», Москва, 17-19 окт. 1995. С. 99.

21. Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А., Лебский Ю. В. и др. Аппаратурный комплекс для измерений отражений и излучения мм радиоволн от биологических объектов и некоторые результаты измерений // Труды Всесоюз. конф. «Методические вопросы определения температуры биологических объектов радиофизическими методами», Звенигород, 1983. С. 53.

22. Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А. Дистанционный рефлектометр 8-мм диапазона // Тез. докл. 8-й Всес. конф. «Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение», Москва, 1986. С. 155.

23. Кislyakov A. G., Pelyushenko S. A., Rakut' I. V. A sсanning Dual-mode radiometer for bifocal researchеs and Detection of Weapons Under Cloching // Proc. Black Sea Region Symposium on applied electromagnetism, 17-19 April, 1966, Metsovo, Epirus-Hellas. Рр.

24. Pelyushenko S. A., Rakut' I. V. Microwave sensor for detection of anti-infantry mines in subsurface // Proceedins of the SPIE's 11 th Annual international Symposiume OnAeroSpace, 20-25 April, 1997, Orlando, Florida, USA. Vol.3079. pp.643-651.

25. Канаков В. А., Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А. Контактный радиометр миллиметрового диапазона длин волн // Сб. докл. Межд. конф. «Прикладная оптика-96. ТеМП-96»., Санкт-Петербург, 17-19 сент. 1996, С.26.

26. Пелюшенко С. А., Беагон В. С., Миллер М. Е. К вопросу измерения коэффициента отражения радиопоглощающих покрытий // Тез. докл. «ВКАИ-3», Ереван, 1984. С. 114.

27. Pelyushenko S. A., Rakut' I. V. The Low cost microwave sensors for airborne remote sensing system // Proc. 3d Int. Airborne Conf. and Exhibition, Copenhagen, Denmark, 7-10 July, 1977. V.2. P. II-106-II-11.

28. Kislyakov A. G., Pelyushenko S. A., Rakut I. V. 8-mm Radiometer-Reflectometer for Laboratory Remote Sensing Measurements // Proc. 21st Annual Conf. remote Sensing Society (RSS95), University of Southampton, GB, 11-14 September 1995. P. 669-676.

29. Цейтлин Н. М., Мосолов И. В., Бахарев Н. В., Беккерман Б. М., Дугин Н. А., Миллер Е. А., Пелюшенко С. А., Романычев А. А. Радиоастрономический комплекс для проведения измерений по методу «черного» диска в дециметровом - метровом диапазонах волн: Препринт №176 НИРФИ. Горький, 1984.

30. Pelyushenko S. A. Microwave radiometer system for detection of oil slicks // Proc. 2nd Int. Oil Spill Research & Development Forum. V.2. London. UK, 23-26 May 1995. P.601-606.

31. Пелюшенко С. А., Ракуть И. В., Мордвинкин И. Н., Пелюшенко А.С., Поляризационный радиометрический метод дистанционного зондирования параметров разливов нефти на воде // Труды 5 науч. конф. по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения А. А. Андронова, Н. Новгород: HНГУ, 2001. С.144-145.

32. Кисляков А. Г., Канаков В. А., Шкелев В. И., Вакс В. Л., Приползин С. И., Вдовин В. Ф., Лапкин И. В., Пелюшенко С. А. Миллиметровая радиометрия и спектроскопия: новые методы и результаты // Труды 3 науч. конф. по радиофизике, ННГУ,1999. С. 23-26.

...