Удосконалення рознесеної радіолокаційної системи для дослідження метеорних явищ за сигналами телевізійного мовлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.37

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення рознесеної радіолокаційної системи для дослідження метеорних явищ за сигналами телевізійного мовлення

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Ликов Юрій Володимирович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, старший науковий співробітник Олейніков Анатолій Миколайович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Карташов Володимир Михайлович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри радіоелектронних систем;

доктор фізико-математичних наук, професор Рогожкін Євген Васильович, Нацiональний технiчний унiверситет «Харкiвський полiтехнiчний iнститут», професор кафедри радіоелектроніки.

Захист відбудеться «2» червня 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14, ауд. 13.

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

Автореферат розісланий «17» квітня 2010р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

На цей час метод радіолокації метеорних слідів є найбільш широко використовуваним для дослідження метеорних явищ і за своїми можливостями більш інформативний, ніж інші методи, наприклад, візуальні й фотографічні.

Радіоспостереження метеорних явищ використовуються для вирішення таких задач, як:

- прогнозування можливого зіткнення Землі з потенційно небезпечними об'єктами, до яких належать деякі астероїди, шляхом дослідження пов'язаних з ними метеорних потоків за допомогою засобів радіоспостереження;

- вивчення еволюції Сонячної системи на основі даних про розподіл метеорної складової, астероїдів, комет та їх генетичних зв'язків;

- прогнозування умов поширення радіохвиль при проектуванні й експлуатації метеорних систем зв'язку та синхронізації еталонів часу і частоти;

- дослідження динамічних процесів в атмосфері Землі та ін.

Тому метод радіолокації для дослідження метеорних явищ є актуальним і потребує його подальшого розвитку.

Необхідно відзначити, що нині відсутня досить розвинена мережа радіометеорних спостережних пунктів. Зараз в усьому світі налічується не більше десяти метеорних РЛС, які проводять регулярні вимірювання. Причому ці станції є, як правило, спеціалізованими, призначеними для вирішення вузького кола задач, мають різні технічні характеристики, що значно ускладнює зіставлення й інтерпретацію результатів спостережень. Все це пояснюється високими витратами на створення метеорних РЛС та їх подальше технічне обслуговування.

Прикладом багатофункціойної високопотенційної автоматичної РЛС є комплекс МАРС, розроблений у Харкові в 1972-1978 рр., призначений для дослідження метеорних явищ в атмосфері Землі й вирішення астрономічних, геофізичних і прикладних задач.

Одним з можливих рішень побудови мережі спостережних пунктів для моніторингу метеорної активності є створення більш простих і економічних метеорних РЛС із використанням сигналів від сторонніх джерел радіовипромінювання метрового діапазону.

Починаючи з 1994 р., у рамках міжнародної програми «Global Meteor-Scatter Network» у світі діє мережа автоматичних станцій обліку метеорної активності, яка використовує телевізійні (ТВ) і радіомовні станції, як джерела випромінювання. Але використовувані в даній мережі апаратно-програмні комплекси обробки сигналів від сторонніх джерел вкрай неефективні. Так, наприклад, виявлення ТВ сигналу відбувається при перевищенні прийнятим сигналом деякого фіксованого граничного значення й при цьому додатково не перевіряється його приналежність до сигналу, відбитого від метеорного сліду, що значно підвищує імовірність хибної тривоги.

Тому актуальною є тема дисертаційної роботи, у якій вирішується питання створення простих і економічних радіолокаційних станцій для організації мережі моніторингу метеорної активності, що використовують уже існуючі сигнали від сторонніх джерел радіовипромінювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Результати дисертаційних досліджень пов'язані з виконанням планових НДР Міністерства освіти й науки України, які виконувалися в Харківському національному університеті радіоелектроніки:

- НДР № 239 «Розробка принципів побудови вітчизняного комплексу інформаційно-вимірювальних систем для прогнозування й аналізу наслідків надзвичайних ситуацій», розділ № 239-5 «Розробка альтернативних методів синхронізації, приймання й передачі інформації з метою використання в надзвичайних ситуаціях» (№ ДР 0109U001635, виконавець).

- НДР за договором № Н/9-2005 від 18 липня 2005 р. на виконання робіт зі збереження й забезпечення належного функціонування наукового об'єкта, що є національним надбанням - багатоцільовий геофізичний комплекс (БГК) для дослідження атмосфери й припливу метеорної речовини ХНУРЕ (с. Вільховатка, Балаклійський район, Харківська область).

Результати дисертаційних досліджень отримані здобувачем також у рамках міжнародного співробітництва за науковою програмою «Global Meteor Scatter Network».

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є удосконалення рознесеної радіолокаційної системи для побудови мережі спостережних пунктів, що забезпечують моніторинг припливу метеорної речовини в атмосферу Землі за сторонніми джерелами радіовипромінювання.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі наукові задачі:

- розробка методики вибору стороннього джерела радіовипромінювання;

- моделювання траси метеорного поширення сторонніх джерел радіовипромінювання для визначення необхідних значень варіативних параметрів приймальної апаратури;

- синтез виявляча сторонніх сигналів, відбитих від метеорних слідів, і розробка методики ідентифікації ТВ-сигналу, відбитого від метеорного сліду;

- розробка методики визначення радіанта індивідуальних метеорів багатопозиційною рознесеною системою метеорної радіолокації, яка використовує сигнали ТВ-мовлення;

- експериментальне дослідження метеорної активності за сигналами ТВ-мовлення з використанням рознесеної системи радіолокації.

Об'єкт дослідження - процес радіолокації метеорних слідів.

Предмет дослідження - метод рознесеної радіолокації для дослідження метеорних явищ за сигналами ТВ-мовлення.

Методи досліджень - математичне моделювання траси поширення радіохвиль метеорним каналом, спектральний Фур'є-аналіз для знаходження амплітудно-часової характеристики телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду, імітаційне моделювання алгоритму післядетекторної обробки ТВ-сигналів, відбитих від метеорного сліду, експериментальне дослідження варіацій чисельності метеорних відбиттів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Для багатопозиційної рознесеної метеорної РЛС адаптовано імпульсно-дифракційний метод визначення радіанта індивідуальних метеорів під сигнали ТВ-мовлення.

2. Вперше проведено розрахунок орієнтації діаграми спрямованості приймальної антени, при котрій максимізується відношення сигнал/шум на вході метеорної рознесеної РЛС, що використовує сигнали ТВ-мовлення.

3. Удосконалено виявляч метеорних відбиттів, який, на відміну від відомих, побудовано на основі уточненої моделі ТВ-сигналу, що враховує особливості метеорного поширення радіохвиль.

4. Вперше розроблено й обґрунтовано оригінальну методику вибору стороннього джерела зондуючого сигналу з метою поліпшення якісних показників функціонування рознесених систем радіолокації метеорних слідів.

5. Вперше за сигналами ТВ-мовлення отримано достовірні експериментальні дані про метеорну активність за річний безперервний цикл вимірювань з використанням рознесеної радіолокаційної системи.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

– розроблено й введено в дію рознесену метеорну РЛС для дослідження метеорної активності за сигналами ТВ-мовлення;

- запропоновано методику визначення радіанта індивідуальних метеорів рознесеною системою радіолокації метеорних слідів за сигналами ТВ-мовлення, яка дозволяє створити розгалужену мережу економічних метеорних РЛС, що буде досліджувати не тільки метеорну активність, але й приплив метеорної речовини в атмосферу Землі;

– розроблені методики вибору орієнтації приймальної антени й вибору стороннього джерела радіовипромінювання, а також способи мінімізації завадового сигналу в приймальному пункті дозволяють підвищити статистичну забезпеченість результатів вимірювань рознесеної метеорної РЛС. Підвищено достовірність одержуваної інформації за рахунок синтезованого виявляча й запропонованого алгоритму післядетекторної обробки ТВ-сигналів, відбитих від метеорних слідів;

- розроблено іноваційний проект щодо створення мережного радіолокаційного комплексу для моніторингу метеорної активності, дослідний зразок якого введений в експлуатацію;

- організовано регулярні вимірювання метеорної активності в БГК ХНУРЕ (с. Вільховатка, Балаклійський район, Харківська обл.) на розробленому дослідному зразку рознесеної системи радіолокації.

- результати дисертаційної роботи були використані в НДР № 239-5, № Н/9-2005, а також при проведенні досліджень у рамках міжнародного співробітництва за науковою програмою «Global Meteor Scatter Network», про що є відповідні акти впровадження.

Особистий внесок здобувача.

Автором самостійно отримані основні результати дисертаційної роботи. У роботах, виконаних спільно, авторові належать наступні результати:

- розробка методики вибору стороннього джерела радіовипромінювання, придатного для використання в рознесеній системі радіолокації метеорних слідів [3, 13];

- розробка способу визначення радіанта індивідуальних метеорів у багатопозиційній рознесеній системі метеорної радіолокації, яка використовує сигнали ТВ-мовлення [5, 12];

- синтез виявляча сигналів ТВ-мовлення на базі уточненої моделі ТВ-сигналу [4, 11, 15, 16];

- розрахунок оптимальної орієнтації діаграми спрямованості приймальної антени за критерієм максимуму відношення сигнал/шум на вході приймача [1, 2];

- отримано експериментальні дані про метеорну активність за сигналами ТВ-мовлення рознесеною радіолокаційною системою протягом річного циклу вимірювань [6 - 10, 14].

Апробація результатів дисертаційної роботи.

Основні результати роботи, викладені в дисертації, доповідалися й обговорювалися на 9 міжнародних конференціях [7-16]: 1-ій міжнародній конференції «Глобальні інформаційні системи. Проблеми й тенденції розвитку» (Харків, 2006), 11-ому, 12-ому, 13-ому, 14-ому міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка й молодь у ХХ столітті» (Харків, 2007, 2008, 2009, 2010), 4-ій і 5-ій Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Сучасні проблеми радіотехніки й телекомунікації РТ-2008» (Севастополь, 2008, 2009), 18-й Міжнародній Кримській конференції «НВЧ-техніка й телекомунікаційні технології» (Севастополь, 2008), V Міжнародній науково-технічній конференції студентства та молоді «Світ інформації та телекомунікації» (Київ, 2008).

Публікації.

Всього за тематикою дисертації опубліковано 16 наукових праць, з них 7 статей у провідних наукових спеціальних виданнях, затверджених ВАК України, а також 9 доповідей у збірниках матеріалів наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (77 найменувань). Загальний обсяг роботи - 126 стор. (з них основний текст - 116 стор., 66 рисунків, 8 таблиць).

Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі сформульовано задачі дослідження, обґрунтовано актуальність і визначено мету роботи, відзначено наукову новизну, практичну спрямованість, описано структуру роботи й коротко викладено зміст її розділів.

У першому розділі описуються деякі з існуючих метеорних радіолокаційних станцій. Наведено їхні технічні параметри, переваги й основні недоліки. Проведений огляд показав, що існуючі метеорні радіолокаційні станції дозволяють вирішувати ряд прикладних задач і мають при цьому незначну похибку вимірювання. Однак наявність власного потужного (40...1000 кВт в імпульсі) передавача підвищує споживання електроенергії РЛС, знижує її надійність і, як наслідок, погіршується регулярність спостережень, підвищується собівартість і збільшується шкідливий вплив на навколишнє середовище. Все це вказує на відсутність досить розвиненої мережі спостережних пунктів дослідження метеорних явищ.

Одним з можливих рішень створення мережі спостережних пунктів для моніторингу метеорної активності є створення простих і економічних метеорних РЛС із використанням сигналів від сторонніх джерел радіовипромінювання метрового діапазону. Використання таких РЛС дозволить швидко розгорнути досить розгалужену мережу спостережних пунктів по всій земній кулі, що дасть змогу одержати статистично забезпечені дані про метеорну активність в атмосфері Землі на висотах 80-110 км. Для проектування такої мережі в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

- розробити методику вибору стороннього джерела радіовипромінювання;

- провести моделювання траси метеорного поширення сторонніх джерел радіовипромінювання для визначення необхідних значень варіативних параметрів приймальної апаратури;

- синтезувати виявляч сторонніх сигналів, відбитих від метеорних слідів, і розробити методику ідентифікації сигналу, відбитого від метеорного сліду;

- розробити методику визначення радіанта індивідуальних метеорів за сигналами ТВ-мовлення для багатопозиційної рознесеної системи метеорної радіолокації;

- провести експериментальне дослідження метеорної активності за сигналами ТВ-мовлення в рознесеній системі радіолокації.

У другому розділі аналізується загальнодоступний частотний ресурс і проводиться вибір оптимального джерела радіовипромінювання, яке надалі використовуватиметься в пропонованій рознесеній метеорній радіолокаційній системі (РМРЛС).

Для вибору джерела зондуючого сигналу, що забезпечує максимальне відношення сигнал/шум, розроблена наступна методика.

Спочатку необхідно визначити сторонні джерела радіовипромінювання, які знаходяться на відстані 300...2000 км., для чого можна скористатися існуючими електронними ресурсами в мережі Internet.

Для кожного стороннього джерела визначається потужність сигналу, відбитого від метеорного сліду, на вході приймача РМРЛС:

, (1)

де - потужність передавача; - потужність на вході приймача; - коефіцієнт підсилення передавальної антени; - коефіцієнт підсилення приймальної антени; - довжина хвилі; - лінійна електронна густина метеорного сліду; - ефективна поверхня розсіювання електрона; - кут між електричним вектором падаючої хвилі й спрямуванням на приймач; - коефіцієнт загасання.

Загасання сигналу при метеорному поширенні радіохвиль визначається за формулою:

, (2)

де R₁ - відстань від передавача до точки дзеркального відбиття; R₂ - відстань від приймача до точки дзеркального відбиття; - кут між слідом і площиною трикутника передавач - дзеркальна точка - приймач (рис. 1); 2 - кут відбиття вперед; - початковий радіус метеорного сліду.

Рис. 1. Рознесена метеорна радіолокаційна система

метеорний радіовипромінювання телевізійний мовлення

Для випадку, коли R₁=R₂, отримано наступний вираз:

, (3)

де R - відстань між приймальним і передавальним пунктами.

Для спрощення виразів (1) і (2) у розробленій методиці прийняті середньостатистичні значення параметрів метеорного відбиття.

У результаті кожному сторонньому джерелу можна присвоїти ваговий коефіцієнт W_i:

. (4)

Оцінити відношення сигнал/шум на вході приймача, яке пропорційне коефіцієнту S_i, можна за наступним виразом:

(5)

При порівнянні сторонніх джерел з різною структурою спектра сигналу необхідно також ураховувати смугу пропуску () приймальних пристроїв за допомогою множника 1/ .

Заключним етапом є вилучення сторонніх джерел із частотами, на яких експериментальним шляхом виявлені завади в даній точці приймання. У результаті аналізу вибирається мовна станція з більшим значенням коефіцієнта S_i. Проведений аналіз ТВ-мовних станцій з використанням виразу (5), а також отримані експериментальні дані показали, що в 95% випадків необхідна густина потоку потужності ТВ-мовних станцій у напрямку максимуму діаграми спрямованості має бути більше 2 кВт/м², а відстань до них менше 1200 км. Тому наведені значення можуть служити попереднім критерієм відбору існуючих сторонніх джерел радіовипромінювання для використання їх у РМРЛС.

За допомогою математичного моделювання в роботі проведена оцінка енергетичних параметрів сигналів ТВ-мовлення при їх метеорному поширенні. Показано можливість підвищення відношення сигнал/шум за рахунок вибору орієнтації діаграми спрямованості (ДС) приймальної антени. Для цього використовувалася математична модель, основу якої становлять вирази (1) і (2).

Для підвищення відношення сигнал/шум необхідно діаграму спрямованості у вертикальній площині приймальної антени орієнтувати в напрямку, де потужність сигналу, відбитого від метеорних слідів, буде максимальною. У результаті моделювання отримана залежність оптимального кута місця ДС приймальної антени від довжини траси для різних значень ширини ДС передавальної антени у вертикальній площині (рис. 2). Для траси Москва-Харків (720 км) розрахований оптимальний кут місця ДС приймальної антени, що дорівнює 37⁰.

У роботі розглянуті способи мінімізації завад при прийманні ТВ-сигналу в рознесеній системі радіолокації метеорних слідів за рахунок екранування приймальної антени РМРЛС природними або штучними завадами, а також за допомогою застосування автокомпенсаційних схем у приймальному тракті.

Рис. 2. Залежність оптимального кута місця ДС приймальної антени від довжини траси

У третьому розділі розроблено рознесену радіолокаційну систему для дослідження припливу метеорної речовини в атмосферу Землі за сигналами ТВ-мовлення. До можливостей розробленої РМРЛС належать: реєстрація чисельності метеорних відбиттів; вимірювання амплітуди сигналів, відбитих від метеорного сліду; визначення радіанта індивідуальних метеорів.

Принцип визначення радіанта в багатопозиційній рознесеній РЛС, запозичений у суміщених РЛС, і ґрунтується на вимірюванні часу запізнювання сигналу, відбитого від різних дзеркальних точок на сліді, у виносних приймальних пунктах. Структуру багатопозиційної рознесеної метеорної радіолокаційної системи (БРМРЛС) визначення радіанта індивідуальних метеорів показано на рис. 3. Тут - передавальний телевізійний центр; приймальний пристрій БРМРЛС складається з трьох пунктів: основного й двох виносних - і ; , , - точки дзеркального відбиття на метеорному сліді.

За основу БРМРЛС прийнято комплекс МАРС, у якому приймальний і передавальний пункти (О, Т) перебувають в одній точці.

Для обчислення азимута радіанта й зенітної відстані метеора за результатами радіолокаційних спостережень імпульсно-дифракційним методом можна скористатися відомими формулами (6-7) з їхньою модифікацією для РМРЛС:

Рис. 3. Багатопозиційна рознесена метеорна РЛС

, (6)

де й - часові зсуви дифракційних картин виносних пунктів і щодо основного пункту (рис. 4); і - відстані і ; і - кути між напрямком з основного пункту на точку півночі й базами й .

Квадрант азимута визначається знаками величин й . Для обчислення зенітної відстані використовують наступні співвідношення:

, (7)

,

де - видима швидкість метеорного тіла.

Для визначення швидкості метеорного тіла в суміщеній РЛС потрібне знання похилої віддалі до метеорного сліду, визначення якої в рознесеній РЛС утруднене. У запропонованому модифікованому способі швидкість метеорного тіла розраховується за часом запізнення амплітудно-часових характеристик (АЧХ) відбитого від метеорного сліду сигналу у виносних пунктах:

(8)

Для розробленої методики визначення радіанта за сигналами ТВ-мовлення у роботі оцінена похибка визначення кутових координат радіанта індивідуальних метеорів за допомогою математичного моделювання. У результаті моделювання отримана залежність похибки визначення азимута радіанта від відношення сигнал/шум для різних варіантів: без вторинної обробки; після вторинної обробки (фільтрація АЧХ фільтром нижніх частот).

У роботі також показано, що на основі визначення часу запізнення в чотирьох приймальних пунктах з'являється можливість побудови підсистеми оцінки координат відбиваючої області на метеорному сліді за сигналами ТВ-мовлення, що забезпечить додатковими даними про метеорну активність.

У роботі розроблена РМРЛС, до складу якої входять рознесені приймальні пункти, в котрих сигнал проходить первинну (виявляч і вимірювач амплітуди сигналів ТВ-мовлення) і післядетекторну обробки (ідентифікація сигналу із сигналом, відбитим від метеорного сліду).

Виявлення ТВ-сигналу, відбитого від метеорного сліду, ґрунтується на виявленні рядкових гасячих імпульсів (РГІ), що входять у структуру повного телевізійного сигналу.

Для синтезу виявляча ТВ-сигналу обрано модель завади й сигналу, що описується моделлю сигналу із дружніми флуктуаціями амплітуди й з випадковою початковою фазою.

Структурну схему виявляча-вимірювача амплітуди РГІ, відбитих від метеорного сліду, показано на рис. 6.

Відповідно до обраної моделі порогова потужність сигналу визначається наступним виразом:

, (9)

де - втрати, пов'язані з неоптимальністю фільтра, - ефективна тривалість імпульсу, F₀ - спектральна густина білого нормального шуму, - порогове відношення сигнал/шум:

, (10)

де D й F - імовірності правильного виявлення й хибної тривоги відповідно.

У роботі розрахована гранична потужність сигналу для РМРЛС, котра для N=780; D=0,98; F=0,02 дорівнює Вт.

Післядетекторна обробка, результатом якої є АЧХ РГІ, відбитих метеорним слідом, полягає в наступному:

- накопиченні часових варіацій РГІ в реальному масштабі часу;

- виконанні процедури виявлення РГІ за допомогою порівняння із пороговим рівнем;

- фільтрації АЧХ виявлених РГІ;

- ідентифікації оброблених РГІ із сигналом, відбитим від метеорного сліду.

Ідентифікацію пропонується проводити за такими критеріями: тривалість сигналу, відбитого від метеорного сліду, має бути більше 0.05 с; діапазон варіації приросту фази 1-ої гармоніки РГІ не повинен перевищувати 0,5 рад; АЧХ повинна мати екстремуми, взаємне положення яких може відхилятися від теоретичного значення не більше, ніж на 30 %.

Для розрахунку параметрів післядетекторної обробки в роботі проведено імітаційне моделювання з наперед відомим числом метеорних відбиттів, у результаті якого отримано наступні значення:

- імовірність правильного виявлення 0,99;

- імовірність пропускання цілі 0,01.

У четвертому розділі наведені результати експериментального дослідження метеорної активності за вимірюваннями на рознесеній радіолокаційній системі. У результаті експериментального порівняння різних сторонніх джерел (УКХ, FM радіомовні станції та станції ТВ-мовлення) було визначено, що ТВ-сигнал має найкращий енергетичний потенціал і тому його рекомендували для використання в РМРЛС для дослідження метеорних явищ (для м. Харкова обрано сигнал від Останкінського ТВ-центру на частоті 49,75 МГц).

На РМРЛС з липня 2008 р. і дотепер проводяться експериментальні дослідження метеорної активності з використанням сигналів ТВ-мовлення. У роботі наведені результати річного циклу вимірювання з 1.09.2008 р. по 1.09.2009 р., у ході якого отримані такі дані:

- число зафіксованих метеорних відбиттів - 240000;

- середнє число відбиттів за день - 660;

- середнє число відбиттів за годину - 28 (від 5 - у вечірні години, до 140 - у ранкові);

- середня тривалість метеорного відбиття - 0,11с.

Варіації приросту фази першої гармоніки РГІ служать додатковим критерієм ідентифікації метеорного відбиття.

За результатами експериментальних досліджень одержано розподіл по амплітуді й тривалості відбитого від метеорного сліду ТВ-сигналу. Діючі потоки прив'язувалися до локального максимуму чисельності метеорних відбиттів, а ідентифікація потоку проводилася з каталогів за критерієм максимуму активності в даний часовий період. У роботі наведено порівняльний аналіз отриманих результатів експериментальних досліджень метеорної активності з результатами інших пунктів спостережень.

На підставі отриманих експериментальних даних у роботі запропонована методика виявлення метеорних потоків в однопозиційній рознесеній системі радіолокації. Методика ґрунтується на визначенні ступеня відмінності добового ходу чисельності метеорних відбиттів від синусоїдного закону за величиною коефіцієнта гармонік. Вигляд добового ходу чисельності спорадичних метеорів близький до синусоїдного, тому спектр міститиме одну гармонічну складову.

Для прикладу побудовано добовий хід чисельності відбиттів для потоку Квадрантиди (дані за період 2.01.2009-5.01.2009).

Для ефективного пошуку метеорних потоків слід враховувати й фазо-частотний спектр добового ходу, а саме - фазу першої гармоніки.

Кількісною оцінкою наявності метеорного потоку може служити коефіцієнт гармонік.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішується актуальне науково-прикладне завдання удосконалення методу рознесеної метеорної радіолокації, котре полягає в ефективному використанні загальнодоступного радіочастотного ресурсу. За рахунок розробленої методики вибору стороннього джерела радіовипромінювання та проведених розрахунків оптимальної орієнтації приймальної антени підвищено статистичну забезпеченість радіометеорних досліджень. Адаптація імпульсно-дифракційного методу визначення радіанта індивідуальних метеорів під сигнали ТВ-мовлення дозволила підвищити інформативність, а запропонований метод отримання й оброблення радіометеорної інформації - достовірність досліджень метеорних явищ. При вирішенні даної задачі отримано наступні результати:

1. Запропоновано науково обґрунтовану методику вибору стороннього джерела радіовипромінювання для рознесеної системи метеорної радіолокації. На підставі цієї методики, а також проведених експериментальних досліджень розроблено критерії попереднього відбору прийнятного джерела. Установлено, що найкращі параметри мають сигнали станцій ТВ-мовлення, які знаходяться на відстані менше 1200 км із густиною потоку потужності в напрямку максимуму діаграми спрямованості понад 2 кВт/м² на частотах I-III метрових каналів (49,75-77,25 МГц).

2. З метою підвищення відношення сигнал/шум на вході РМРЛС (у межах 3…10 дБ) розраховано орієнтацію ДС приймальної антени у вертикальній площині. Для довжин трас понад 500 км за відсутності інформації про ДС антени станції ТВ-мовлення запропоновано використовувати квазіоптимальний кут місця приймальної антени у вертикальній площині рівний 40⁰.

3. Для багатопозиційної рознесеної метеорної РЛС адаптовано імпульсно-дифракційний метод визначення радіанта індивідуальних метеорів під сигнали ТВ-мовлення в рознесеній радіолокаційній системі. При відношенні сигнал/шум 30 дБ похибка визначення азимута радіанта становить 6 градусів. Запропоновано попередню обробку сигналів ТВ-мовлення й алгоритм післядетекторної обробки, який реалізовано у програмному забезпеченні розробленої РМРЛС, дозволили отримати імовірність правильного виявлення 0,99 й імовірність пропущення цілі 0,01.

4. Розроблено й введено у дію дослідний зразок рознесеної метеорної РЛС для дослідження метеорної активності за сигналами ТВ-мовлення. У результаті річного циклу експериментальних досліджень рознесеної метеорної РЛС зареєстровано близько 240000 метеорних відбиттів, серед яких виявлено метеорні потоки. Отримані результати збагачують існуючу базу даних і доступні для всього світового наукового співтовариства.

5. Запропоновано методику виявлення метеорних потоків, яка ґрунтується на аналізі добового ходу чисельності метеорних відбиттів за відсутності даних про радіант індивідуальних метеорів.

6. Результати дисертаційної роботи були використані в НДР № 239-5, а також при проведенні досліджень у рамках міжнародного співробітництва за науковою програмою «Global Meteor Scatter Network», про що є відповідні акти впровадження.

Таким чином, результати які отримані у дисертаційній роботі в сукупності вирішують задачу підвищення статистичної забезпеченості, інформативності і достовірності метеорних досліджень по сигналам ТВ-мовлення в мережі рознесених радіолокаційних систем.

Перелік праць, опублікованих за темою дисертації

1. Лыков Ю. В. Выбор оптимальной ориентации приемной антенны в разнесенной системе метеорной радиолокации при использовании ТВ сигналов / Ю. В. Лыков, А. Н. Олейников // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2008. - Вып. 152. - С. 72-77.

2. Лыков Ю. В. Исследование характеристик метеорного радиоканала с использованием сторонних источников радиоизлучения / Ю. В. Лыков, А. Н. Олейников // Вісник ДУІКТ. - 2008. Том 6. - № 4. - С. 296.

3. Лыков Ю. В. Повышение эффективности разнесенной системы радиолокации метеорных следов / А. Н. Олейников, Ю. В. Лыков, В. Д. Кукуш // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб.- 2009. - № 157. - С. 5 - 13.

4. Лыков Ю. В. Синтез оптимального обнаружителя и измерителя АВХ ТВ сигналов, отраженных от метеорных следов / Ю. В. Лыков, А. Н. Олейников // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2009. - № 158. - С. 5 - 13.

5. Лыков Ю. В. Многопозиционная разнесенная радиолокационная станция для исследования распределения метеорного вещества в атмосфере земли / Ю. В. Лыков, Д. Ю. Горелов, А. А. Лыкова // Восточно-Eвропейский журнал передовых технологий. - 2010. - № 1/5 (43). - С. 34 - 39.

6. Лыков Ю. В. Результаты исследования параметров метеорных отражений сигналов телевизионного вещания разнесенной радиолокационной системой / А. Н. Олейников, Ю. В. Лыков, В. Д. Кукуш, А. И. Шкарлет // Системы обработки информации. - Х.: ХУВС. - 2010. - № 1 (82). - С. 110- 118.

7. Лыков Ю. В. Использование сигналов ТВ-вещания для исследования процессов в метеорной зоне атмосферы земли / А. Н. Олейников, Д.М. Сосновчик, Ю. В. Лыков, В. Д. Кукуш, С.А. Маковецкий // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2010. - № 160. - С.47-55.

8. Лыков Ю. В. Исследование притока метеорного вещества с использованием системы разнесенной радиолокации / А. Н. Олейников, Д. М. Сосновчик, Ю. В. Лыков // 1-я Международная конференция «Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития»: Сб. материалов конференции. - Харьков: ХНУРЭ, 2006. - С. 470.

9. Лыков Ю. В. Обработка телевизионных сигналов при метеорном распространении для выявления распределения длительностей метеорных отражений / А. Н. Олейников, Ю. В. Лыков // 11-й Vеждународный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ. - 2007. - Ч.1. - С. 30.

10. Лыков Ю. В. Исследование коэффициента заполнения метеорного канала связи в разнесенной системе радиолокации с использованием сигналов ТВ-вещательных станций / Ю. В. Лыков, А. Н. Олейников // «Світ інформації та телекомунікації» - 2008: Матеріали V Міжнародної науково-технічної конференції студентства та молоді. - Київ. - 2008 р. - С. 96.

11. Лыков Ю. В. Анализ возможности использования сигналов УКВ, FM вещательных станций для исследования амплитудно-временных характеристик сигналов, отраженных от метеорных следов / Ю. В. Лыков // 12-й Международный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2008. Ч.1. - С. 35.

12. Лыков Ю. В. Методика определения радианта индивидуальных метеоров в разнесенной системе метеорной радиолокации при использовании ТВ сигналов / Ю. В. Лыков // «Cовременные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008». Материалы Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Севастополь: СЕВНТУ, 2008. - С. 80-81.

13. Лыков Ю. В. Методика выбора стороннего источника радиоизлучения для разнесенной системы радиолокации метеорных следов / Ю. В. Лыков, А. Н. Олейников // 18-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 8-12 сентября 2008 г.: Материалы конф. - Севастополь: Вебер, 2008. - С. 905.

14. Лыков Ю. В. Результаты экспериментального исследования характеристик метеорного радиоканала с использованием телевизионных сигналов / Ю. В. Лыков // 13-й Международный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2009. Ч.1. - С. 23.

15. Лыков Ю. В. Модель телевизионного сигнала, отраженного от метеорного следа / Ю. В. Лыков // «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2009». Материалы 5-й Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Севастополь: СЕВНТУ, 2009. - С. 86.

16. Лыков Ю. В. Сетевой радиолокационный комплекс для мониторинга метеорной активности / Ю. В. Лыков // 14-й Международный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»: Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2010. Ч.1. - С. 101.

Анотація

Ликов Ю. В. Удосконалення рознесеної радіолокаційної системи для дослідження метеорних явищ за сигналами ТВ-мовлення. - Рукопис.

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

У дисертаційній роботі вирішується актуальне науково-прикладне завдання удосконалення методу рознесеної метеорної радіолокації, котре полягає в ефективному використанні загальнодоступного радіочастотного ресурсу. За рахунок розробленої методики вибору стороннього джерела радіовипромінювання та проведених розрахунків оптимальної орієнтації приймальної антени підвищено статистичну забезпеченість радіометеорних досліджень. Адаптація імпульсно-дифракційного методу визначення радіанта індивідуальних метеорів під сигнали ТВ-мовлення дозволила підвищити інформативність, а запропонований метод отримання й оброблення радіометеорної інформації - достовірність досліджень метеорних явищ.

На підтвердження отриманих теоретичних висновків проведено експериментальні дослідження метеорної активності в обсязі безперервного річного циклу вимірювання. Розроблена рознесена метеорна РЛС включена в мережу станцій, працюючих у рамках міжнародної програми «Global Meteor-Scatter Network».

Сукупність отриманих результатів дає можливість підвищити статистичну забезпеченість, інформативність і достовірність метеорних досліджень по сигналам ТВ-мовлення в мережі рознесених радіолокаційних систем.

Ключові слова: рознесена радіолокаційна система, сигнал ТВ-мовлення, радіант індивідуального метеора, амплітудно-часова характеристика сигналу від метеорного сліду, метеорний потік.

Аннотация

Лыков Ю. В. Совершенствование разнесенной радиолокационной системы для исследования метеорных явлений по сигналам ТВ-вещания. - Рукопись.

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

В диссертационной работе решается актуальная научно-прикладная задача совершенствования метода разнесенной метеорной радиолокации, которая заключается в эффективном использовании общедоступного радиочастотного ресурса. За счет разработанной методики выбора стороннего источника радиоизлучения и проведенных расчетов оптимальной ориентации приемной антенны повышена статистическая обеспеченность радиометеорных исследований. Адаптация импульсно-дифракционного метода определения радианта индивидуальных метеоров под сигналы ТВ-вещания позволила повысить информативность, а предложенный метод получения и обработки радиометеорной информации - достоверность исследований метеорных явлений.

Разработана научно обоснованная методика выбора сторонних источников радиоизлучения, на основе которой разработаны критерии предварительного отбора приемлемых источников радиоизлучения, учитывающие их частоты, плотность потока мощности и удаленность от приемного пункта.

Проведен расчет оптимальной ориентации ДН приемной антенны по критерию максимизации отношения сигнал/шум на входе метеорной разнесенной РЛС, где в качестве зондирующего используется сигнал ТВ-вещания.

Разработана многопозиционная разнесенная РЛС для исследования притока метеорного вещества в атмосферу Земли по сигналам ТВ-вещания. Дана теоретическая оценка погрешности определения радианта индивидуальных метеоров предложенным методом. На основе уточненной модели ТВ сигнала, отраженного от метеорного следа, проведен синтез оптимального обнаружителя и измерителя амплитуды детерминированной составляющей телевизионного сигнала. Разработан алгоритм последетекторной обработки сигналов ТВ-вещания, выполняющий сглаживание полученной реализации на выходе обнаружителя - измерителя амплитуды и выявление метеорных отражений с использованием разработанных критериев идентификации ТВ-сигналов, отраженных от метеорного следа. Результатом последетекторной обработки являются амплитудно-временные характеристики строчных гасящих импульсов, отраженных метеорным следом.

В подтверждение полученных теоретических выводов проведены экспериментальные исследования метеорной активности в объеме непрерывного годичного цикла измерения. В работе приведен сравнительный анализ полученных результатов экспериментальных исследований метеорной активности с результатами других пунктов наблюдений. Разработанная разнесенная метеорная РЛС включена в сеть станций, работающих в рамках международной программы «Global Meteor-Scatter Network», а получаемые экспериментальные данные доступны в сети Internet.

Ключевые слова: разнесенная радиолокационная система, сигнал ТВ-вешания, радиант индивидуального метеора, амплитудно-временная характеристика сигнала от метеорного следа, метеорный поток.

Abstract

Lykov Y.V. Improvement forward scatter radar system for research of the meteoric phenomena on TV-broadcasting signals. - Manuscript.

Thesis for the Candidate of Technical Sciences degree by speciality 05.12.17 - radio engineering and television systems. - Kharkov National University of Radio Electronics, 2010.

In this work the actual scientifically-applied problem which consists in improvement forward scatter radar system of research of the meteoric phenomena on signals of television broadcasting is solved.

The procedure of sampling of a source of TV signal is developed. Optimum orientation of a directional pattern of the receiving antenna is calculated. The method of determination of a radiant of individual meteors is adapted for signals of TV broadcasting. It is developed hardware and software for radar station.

The findings in the work in aggregate solve a problem raising of statistical provision, information capability and reliability of meteoric research on TV broadcasting signals. The received results can be used as for modernization of radar stations in an existing network, and as for creation of new economic networks of monitoring of meteoric activity.

Keywords: forward scatter radar system, TV-broadcasting signals, radiant of an individual meteor, peak-time characteristic of a signal from a meteoric trace, meteoric stream.

Підп. до друку 13.04.10

Формат 60х84 ¹/₁₆

Спосіб друку - ризографія

Умов. друк. арк.. 1,2.

Ціна договірна. Тираж 100 прим.

Зам. № 2-307.

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Віддруковано в навчально-науковому видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ.

Україна, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Размещено на Allbest.ru

...