Удосконалення метеорної радіотехнічної системи моніторингу динамічних параметрів атмосфери землі за сигналами телевізійного мовлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удосконалення метеорної радіотехнічної системи моніторингу динамічних параметрів атмосфери землі за сигналами телевізійного мовлення

Метод радіолокації метеорних слідів (радіометеорний метод) є основним для одержання регулярної інформації про динамічні процеси в атмосфері Землі на висотах мезопаузи-нижньої термосфери (МНТ, 80...105 км). Ця інформація необхідна для створення глобальних моделей циркуляції атмосфери Землі, для спостереження за глобальними змінами клімату, для прогнозування умов поширення радіохвиль ВЧ діапазону і значень іоносферних затримок сигналів супутникових систем точного позиціонування GPS ГЛОНАСС, для розрахунку траєкторій космічних апаратів, які повертаються на Землю.

З метою збільшення обсягів експериментальних даних про динамічні процеси на висотах МНТ за кордоном регулярно проводяться серії координованих вимірювань в рамках міжнародних науково-дослідних проектів, зокрема, під егідою NASA (Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору США), DLR (Німецький центр авіації та космонавтики), CEDAR (Міжнародне співтовариство з дослідження енергетичної та динамічної взаємодії в атмосфері Землі). До цих досліджень залучають не тільки наземні засоби дистанційного зондування атмосфери, а й організовують спеціалізовані супутникові програми, наприклад, «TIMED» - програму NASA з дослідження енергетики та динаміки на висотах термосфери-іоносфери-мезосфери.

Висока вартість експлуатації сучасних метеорних РЛС є однією з причин, яка перешкоджає створенню мережі постійно діючих радіометеорних спостережувальних пунктів і обмежує час проведення неперервних радіометеорних вимірювань.

Одним із способів вирішення задачі зменшення витрат на радіометеорні дослідження є використання існуючих телерадіопередавачів ефірного мовлення як джерел зондуючого сигналу.

Починаючи з 1994 р., в рамках міжнародного проекту «Global Meteor Scatter Network», діє мережа радіотехнічних систем врахування метеорної активності за сигналами ефірного телерадіомовлення (СТМ та СРМ).

Однак радіометеорний моніторинг динамічних параметрів атмосфери Землі на висотах МНТ з використанням сигналів ефірного мовлення як зондуючих досі не проводився, бо це вимагало вирішення ряду наукових і практичних питань.

Тому актуальною є тема дисертаційної роботи, присвяченої удосконаленню радіометеорного методу моніторингу динамічних параметрів МНТ та розробці нового класу метеорних радіотехнічних систем, які використовують сигнали існуючої мережі передавачів ефірного телевізійного мовлення як зондуючі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження зв'язані з науково-дослідними роботами, які виконано у рамках традиційного наукового напрямку кафедри «Основи радіотехніки» Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ) - радіометеорних досліджень динамічних процесів в атмосфері Землі, розпочатому у 50-х роках ХХ століття під керівництвом проф. Кащеєва Б. Л., зокрема:

- НДР № 239 «Розробка принципів побудови вітчизняного комплексу інформаційно-вимірювальних систем для прогнозування і аналізу наслідків надзвичайних ситуацій» (№ДР 0109U001635), виконавець;

- НДР № 260 «Дослідження потенційних можливостей ефективного функціонування мережевих реконфігурованих інформаційно-вимірювальних систем екологічного моніторингу» (№ДР 0111U002903), виконавець;

- грант імені Леонарда Ейлера (Leonhard Euler) № 0505899 Німецької служби академічних обмінів (DAAD), відповідальний виконавець;

- дослідницький грант для аспірантів та молодих вчених (Research grant for doctoral candidates and young academics and scientists) № A0996888 Німецької служби академічних обмінів (DAAD), відповідальний виконавець.

Об'єкт дослідження. Процес радіолокаційного вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за дрейфом метеорних слідів.

Предмет дослідження. Радіолокаційний метод вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за дрейфом метеорних слідів з використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення як зондуючих.

Мета і завдання дослідження. Теоретичне та експериментальне обґрунтування можливості використання сигналів ефірного телевізійного мовлення як зондуючих для радіолокаційного вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за дрейфом метеорних слідів.

Поставлена мета досягається вирішенням наступних завдань:

1. Розробка й теоретичне обґрунтування удосконалень радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру, що дозволяють використовувати сигнали ефірного телевізійного мовлення як зондуючі;

2. Розробка математичної моделі процесу радіометеорного вимірювання швидкості вітру з використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення як зондуючих та визначення умов для мінімізації похибок такого вимірювання;

3. Адаптація удосконаленого радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру до умов реальної мережі ефірного телевізійного мовлення, що складається з множини радіопередавальних пристроїв, які працюють у межах єдиного радіоканалу;

4. Створення нової метеорної радіотехнічної системи, що реалізує вимірювання швидкості вітру з використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення як зондуючих;

5. Апробація на практиці удосконаленого радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру, який використовує існуючі сигнали ефірного телевізійного мовлення як зондуючі.

Методи дослідження.

Дедукція: теоретичне обґрунтування можливості удосконалення радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ з метою використання телевізійних сигналів як зондуючих на основі положень теорії багатопозиційної радіолокації з урахуванням специфіки радіометеорних явищ та особливостей побудови мережі ефірного телерадіомовлення.

Моделювання: створення математичної моделі процесу радіометеорного вимірювання швидкості вітру з використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення як зондуючих і визначення умов для мінімізації похибок таких вимірювань.

Експеримент: апробація на практиці і дослідження удосконаленого радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру, який використовує сигнали ефірного телевізійного мовлення як зондуючі, обробка експериментальних даних методами цифрового спектрального аналізу, у тому числі методами періодограм, MUSIC, модифікованим коваріаційним методом.

Порівняння: кореляційний аналіз експериментальних радіометеорних даних, отриманих на створеній радіотехнічній системі з використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення як зондуючих, з існуючими результатами моніторингу динамічних процесів на висотах МНТ сучасними засобами дистанційного зондування (з метеорною РЛС SKiYMET і супутником TIMED).

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено нову математичну модель процесу радіометеорного моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі за сигналами телевізійного мовлення, яка базується на використанні відомого принципу оцінки швидкості цілі багатопозиційними РЛС з її підсвічуванням сигналами існуючої мережі передавачів ефірного мовлення.

2. Удосконалено радіометеорний метод моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі, що дозволяє створити новий клас радіотехнічних систем, які відрізняються від існуючих використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення першого-третього радіоканалів (49,75...77,25 МГц) як зондуючих для вимірювання вектора швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери (80...105 км).

3. Вперше з використанням сигналів ефірного телевізійного мовлення отримано нові дані про величину і напрямок вектора швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери, які, на відміну від існуючих, отримані без додаткового випромінювання спеціалізованого зондуючого сигналу значної потужності.

Запропоновані в роботі удосконалення радіометеорного методу моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі на висотах мезопаузи-нижньої термосфери та створена радіотехнічна система, що їх реалізує, захищені патентами України.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій:

- обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків, рекомендацій, винесених на захист і сформульованих в дисертації, забезпечується коректним використанням строгого математичного апарату при теоретичній розробці удосконалень радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру, що дозволяють використовувати сигнали ефірного телевізійного мовлення як зондуючі, та збігом виведених з теорії положень з явищами, які спостерігались під час проведення експериментальних досліджень;

- результати вимірювань швидкості вітру, отримані на створеній експериментальній радіотехнічній системі, узгоджуються як з загальновідомими закономірностями, характерними для атмосфери на висотах МНТ, так і з даними радіотехнічних систем, робота яких ґрунтується на іншому фізичному принципі (наприклад, з даними приладу TIDI на борту супутника TIMED, котрий використовує для вимірювань власне випромінювання атмосфери на висотах МНТ).

Наукове значення роботи. У дисертаційній роботі набув розвитку науковий напрямок, пов'язаний з дослідженням атмосфери Землі наземними методами. Зокрема, удосконалено радіометеорний метод вимірювання швидкості вітру за рахунок вирішення завдання оцінки вектора швидкості вітру багатопозиційними радіотехнічними системами, які використовують сигнали мережі ефірного телевізійного мовлення як зондуючі. Це дозволяє створити мережу маловитратних пунктів моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі на висотах МНТ, необхідну для вирішення актуальних геофізичних завдань.

Практичне значення отриманих результатів:

- запропоновані удосконалення радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру дозволяють проводити неперервний моніторинг динамічних параметрів атмосфери Землі на висотах МНТ навіть у міських умовах без додаткового випромінювання спеціалізованого зондуючого сигналу. Відсутність необхідності випромінювання власного зондуючого сигналу значно зменшує вартість експлуатації розробленої радіотехнічної системи, що реалізує радіо-метеорні вимірювання за сигналами ефірного телевізійного мовлення, а також виключає негативну дію на навколишнє середовище і забезпечує електромагнітну сумісність з іншими радіоелектронними засобами. Це дозволяє експлуатувати розроблену систему без реєстрації в службах радіочастотного нагляду;

- розроблена експериментальна радіотехнічна система (її апаратна і програмна частини) може бути взята за основу при створенні рознесених маловитратних пунктів моніторингу вектора вітрових рухів на висотах МНТ на базі існуючої мережі ефірного телевізійного мовлення;

- результати дисертаційної роботи впроваджено у НДР № 239, НДР № 260, а також в роботах з міжнародного співробітництва за грантом імені Леонарда Ейлера (Leonhard Euler) # 0505899 та дослідницьким грантом для аспірантів і молодих вчених (Research grant for doctoral candidates and young academics and scientists) A0996888 під егідою Німецької служби академічних обмінів (DAAD). Впровадження результатів дисертаційних досліджень підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно отримав основні результати дисертаційної роботи, які були опубліковані у [1-20]. В роботах, виконаних спільно, авторові належать наступні результати:

У роботах [3-4] та [12-14] вдосконалено алгоритм та розроблено програми цифрової обробки радіометеорних даних, в [5] запропоновано рекомендації щодо забезпечення завадостійкості метеорної радіотехнічної системи за рахунок екранування приймальної антени природними або штучними перешкодами; в [6] і в [15, 16] розкрито суть проблеми і поставлено наукові завдання, пов'язані з вимірюванням швидкості вітру багатопозиційними метеорними РЛС за сигналами телевізійного мовлення (СТМ); в [7] розроблено пакет програм для рознесеної метеорної РЛС, що використовує СТМ як зондуючі; в [8, 9] розроблено та створено експериментальну радіотехнічну систему для виконання доп-плерівських радіометеорних вимірювань за СТМ, вперше отримано експериментальні дані, що доводять можливість виявлення допплерівських зсувів несучої частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів; в [10-11] і [18-19] запропоновано удосконалений радіометеорний метод вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ, який базується на використанні СТМ, відбитих від метеорних слідів; там само отримано і оброблено перші експериментальні дані, запропоновано і реалізовано методику їх верифікації; в [17] обґрунтовано можливість використання СТМ для реалізації радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ за критерієм нестабільності його несучої частоти на інтервалі часу, обмеженому тривалістю радіометеора; в [20] розроблено математичну модель процесу радіометеорного вимірювання швидкості вітру за СТМ та оцінено похибки такого вимірювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на двох регулярних колоквіумах Інституту метеорології Лейпцігського університету (22.03.2006 та 02.02.2011) і на 9 міжнародних конференціях [12-20]: 3^rd IAGA ICMA Workshop «Vertical Coupling in the Atmosphere ionosphere System» (Varna, Bulgaria, 2006 р.); Х, XIII, XIV Міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті» (м. Харків, 2006, 2009, 2010 р. р.); 38th COSPAR Scientific Assembly, (Toronto, Canada, 2010 р.); 11-й Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні інформаційні та електронні технології» (м. Одеса, 2010 р.); International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) General Assembly (Melbourne, Australia, 2011 р.); 21-й Міжнародній Кримській конференції «НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо'2011) (м. Севастополь, 2011 р.); Міжнародному радіоелектронному форумі (МРФ-2011) «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» (м. Харків, 2011 р.).

Публікації. Усього за тематикою дисертації опубліковано 20 наукових праць, з яких 2 патенти України, 6 статей в періодичних журналах та збірниках, що входять до переліку ДАК МОНмолодьспорту України, 3 - в зарубіжних виданнях, що відповідають профілю дисертаційної роботи, 9 - у збірниках праць вітчизняних і зарубіжних міжнародних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел із 111 найменувань (9 сторінок) і двох додатків (11 сторінок). Загальний обсяг дисертації 167 сторінок, з них основного тексту 133 сторінки. В дисертації подано 51 ілюстрацію (з них 11 - на окремих сторінках) та 9 таблиць (з них 3 - на окремих сторінках) .

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну роботи та її практичне значення, наведено відомості щодо обґрунтованості і достовірності результатів роботи та їх апробації.

У першому розділі дисертаційної роботи аналізуються основи методу моніторингу динаміки мезопаузи-нижньої термосфери (МНТ) метеорними радіотехнічними системами (МРЛС). Метеорний слід для таких систем є природним «датчиком», спостерігаючи за переміщенням (дрейфом) якого можна судити про швидкість вітру на висотах МНТ (80...105 км). Вимірювання швидкості дрейфу виконується за допплерівським зсувом частоти (ДЗЧ) зондуючих сигналів МРЛС, відбитих від метеорного сліду.

Там само наведено порівняльний аналіз різних типів МРЛС, які відрізняються за методикою проведення вимірювань та за обсягом інформації про динамічні процеси на висотах МНТ, який можна отримати за допомогою цих радіотехнічних систем. Найпростішою з наведених є МРЛС типу «ВЕТА», яка призначена для вимірювання середньої швидкості вітру у всій товщі МНТ. Розглянуто також більш складні МРЛС типу «Автоматичний кутомір» і SKiYMET, які дозволяють оцінювати висотну структуру вітрових рухів на висотах МНТ.

На цей час актуальним є завдання дослідження просторової структури динамічних явищ на висотах МНТ (в глобальному і мезомасштабах). Частково такі дослідження можуть бути виконані за даними спеціальних супутникових програм (наприклад, «TIMED»). Але порівняно з МРЛС, дані супутників над «локальною» ділянкою на поверхні Землі (не більше 10? х 10? широти х довготи) характеризуються низькою статистичною забезпеченістю, що становить не більше 5 вимірювань на добу. Це істотно обмежує часові масштаби досліджуваних явищ і змушує проводити дослідження за усередненими рядами даних, які накопичено за інтервали часу понад два місяці. Однак динамічній структурі МНТ притаманні швидкі зміни, масштаби яких складають одиниці-десятки діб. Такі процеси принципово не можуть бути виявлені за даними супутникових програм і доступні для дослідження лише за даними мережі МРЛС.

Розгортання і робота як мережі, так і окремих МРЛС, обмежені через наявність в їх складі випромінювальних радіотехнічних пристроїв значної потужності (від одиниць кіловат до одиниць мегават в імпульсі). Тому експлуатацію багатьох МРЛС було припинено у зв'язку з великими витратами, необхідними на утримання потужного радіопередавального пристрою, і проблемою електромагнітної сумісності з іншими радіотехнічними системами.

Зараз активно розвивається напрямок, який полягає у використанні сигналів телерадіостанцій ефірного мовлення як зондуючих для вирішення радіолокаційних завдань. Цей напрямок перспективний, оскільки він дозволяє створити систему багатопозиційних РЛС на базі вже існуючої мережі ефірного телерадіомовлення. Така радіотехнічна система не потребує випромінювання власного зондуючого сигналу, отже, у неї немає перерахованих вище проблем, пов'язаних з експлуатацією радіопередавальних пристроїв. Прикладом радіотехнічних систем, що виконують спостереження за метеорною активністю за сигналами ефірного телерадіомовлення, є радіометеорні системи, що входять до мережі «Global Meteor Scatter Network», та радіотехнічний комплекс, створений на кафедрі «Основи радіотехніки» ХНУРЕ. Робота цих систем базується на реєстрації і вимірюванні амплітудних параметрів сигналів, відбитих від метеорних слідів. Але для вирішення задачі моніторингу динамічних параметрів МНТ потрібні частотні чи фазометричні вимірювання, методика виконання яких за сигналами мережі ефірного телерадіо мовлення досі відсутня.

На підставі викладеного у першому розділі робиться висновок про необхідність удосконалення радіометеорного методу моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі та створення нового класу метеорних радіотехнічних систем, що дозволяють використовувати існуючі сигнали мережі ефірного телерадіомовлення як зондуючі для вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ. Наприкінці розділу формулюються завдання такого дослідження (див. стор. 4?5).

У другому розділі теоретично обґрунтовано можливість вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ методом радіолокації метеорних слідів за сигналами ефірного телевізійного мовлення (СТМ). Аналіз потенційних можливостей використання СТМ як зондуючих показує, що ці сигнали через свій рівень потужності, неперервності і складної структури, котра містить як випадкові інформаційні, так і детерміновані службові складові (такі, як сигнал несучої частоти, рядкові і кадрові синхронізуючі імпульси та ін.), мають великий потенціал для вирішення різноманітних радіолокаційних задач. Основним критерієм придатності СТМ для моніторингу динамічних процесів на висотах МНТ є величина нестабільності їх несучої частоти на інтервалі часу, обмеженому тривалістю існування відбитого від метеорного сліду сигналу (близько 0,1 с). Ця величина має бути значно меншою, ніж очікувані ДЗЧ, викликані дрейфом сліду, і мати порядок не більше 10^-8 відносно абсолютного значення несучої частоти. Але нестабільність частоти несучої СТМ на даному інтервалі часу не нормована, визначається параметрами конкретних телевізійних радіопередавачів ефірного мовлення (ТВ РПП) і, отже, має бути визначена експериментально для тих ТВ РПП, сигнали яких планується використовувати як зондуючі (див. розділ 4).

Радіотехнічна система, що реалізує вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ методом радіолокації метеорних слідів за СТМ, належить до класу багатопозиційних (рознесених) РЛС.

ДЗЧ для багатопозиційних РЛС може бути розрахований як:

,

метеорний радіотехнічний мовлення

де ? допплерівський зсув несучої частоти зондуючого сигналу;

? вектор швидкості дрейфу відбиваючої області метеорного сліду;

, ? орти в напрямку від метеорного сліду до приймальної і передавальної позицій;

= cf₀ ? довжина хвилі зондуючого сигналу;

f₀ ? частота несучої зондуючого сигналу;

c ? швидкість світла.

Вважаючи вітрові рухи на висотах МНТ горизонтальними, вектор швидкості дрейфу метеорного сліду може бути представлений суперпозицією «поздовжньої» і «поперечної» компонент відносно базисної площини РЛС (площини, яка ортогональна поверхні Землі та проходить скрізь приймальну і передавальну позиції). Якщо передавальна позиція розташована в східному або західному напрямках відносно приймальної позиції, тоді «поздовжня» компонента відповідає зональній компоненті вектора швидкості дрейфу метеорного сліду, а «поперечна» компонента - меридіональній.

Для оцінки швидкості вітру за ДЗЧ відбитого сигналу необхідно знайти зворотне розв'язання рівняння (1). Однак таке розв'язання не завжди єдине, тому що ДЗЧ відбитого сигналу визначається одночасно величинами «поздовжньої» і «поперечної» компонент вектора дрейфу сліду. Для оцінки внеску кожної з компонент вектора дрейфу сліду в загальне ДЗЧ відбитого сигналу введено цільову функцію S_|| - коефіцієнт селекції «поздовжньої» компоненти:

,

де D_|| , D [Гц(м·с^-1)] - коефіцієнти пропорційності між ДЗЧ відбитого сигналу і величиною «поздовжньої» ( || ) або «поперечної» () компонент вектора швидкості дрейфу сліду відповідно.

Результати розрахунку для відстаней між приймальною і передавальною позиціями у 100...1000 км з урахуванням кривизни поверхні Землі показують (рис. 1), що область максимальних значень S_|| знаходиться у просторі над приймальною позицією в діапазоні кутів місця метеорних слідів 90° ± 30° (S_|| ? 0,7) або 90° ± 45° (S_|| ? 0,5). Отже, ДЗЧ сигналів, відбитих від метеорних слідів, що знаходяться у просторі над приймальною позицією, визначається переважно «поздовжньою» компонентою вектора швидкості дрейфу сліду і слабко залежить від її «поперечної» компоненти. У цьому випадку зворотне розв'язання рівняння (1) буде єдиним і ДЗЧ відбитого сигналу буде пропорційним лише «поздовжній» компоненті вектора дрейфу сліду.

Просторову селекцію метеорних слідів над приймальною позицією (заштрихована область, рис. 1) можливо реалізувати за допомогою антени з вертикальною орієнтацією максимуму діаграми спрямованості (ДС). Ширина ДС має становити не більше 60...90°, що є конструктивно реалізованою вимогою для антен діапазону 30...80 МГц.

Вертикальна орієнтація приймальної антени дозволяє приймати відбиті від метеорних слідів сигнали, які належать різним ТВ РПП, розташованим на різних азимутальних напрямках відносно приймальної позиції. Кожній парі, що утворена приймальною позицією та одним із ТВ РПП, відповідає свій напрямок вимірюваної «поздовжньої» компоненти вектора швидкості дрейфу метеорного сліду. Цей напрямок визначається азимутом ТВ РПП відносно приймальної позиції.

Отже, створюється можливість вимірювання різних компонент вектора швидкості вітру для однієї і тієї ж області простору за СТМ різних ТВ РПП, що входять до мережі ефірного телевізійного мовлення. Це дозволяє оцінювати напрямок та модуль вектора швидкості вітру в МНТ.

Необхідною умовою реалізації такого вимірювання компонент вектора дрейфу метеорного сліду є наявність апріорі відомої інформації про азимут на ТВ РПП, який є джерелом прийнятого СТМ. Але реальна мережа ефірного телевізійного мовлення складається з множини радіопередавачів, які знаходяться на різних азимутах відносно приймальної позиції і працюють у межах одного радіоканалу. Через це для виконання вимірювань потрібне вирішення додаткової задачі ідентифікації ТВ РПП за відбитим СТМ.

Величина несучої частоти СТМ, що випромінюється конкретним ТВ РПП (робоча частота ТВ РПП),? це сума номінального значення частоти несучої (стала величина для всіх ТВ РПП одного радіоканалу) і зміщення несучої частоти (ЗНЧ). Величини ЗНЧ нормовані, задані індивідуально для кожного ТВ РПП при плануванні мережі ефірного телевізійного мовлення та мають порядок одиниць ? десятків кілогерц. Очікувані ДЗЧ несучої СТМ, відбитих від метеорних слідів і викликані їх дрейфом, значно менші величин ЗНЧ і складають одиниці ? десятки герц. Отже, величини ДЗЧ і ЗНЧ можуть бути окремо виділені після вимірювання частоти сигналу, відбитого від метеорного сліду. Це дозволяє:

1. Ідентифікувати (за величиною ЗНЧ) ТВ РПП.

2. Оцінити (за величиною ДЗЧ) швидкість дрейфу метеорного сліду вздовж напрямку від приймальної позиції до ідентифікованого ТВ РПП.

Так само у другому розділі описано математичну модель процесу радіометеорного вимірювання швидкості вітру за СТМ. Вихідними параметрами моделі були висотно-часова структура поля швидкості вітру на висотах МНТ, задана профілями зональної та меридіональної компонент; розподіл кутів місця, азимутів і висот метеорних слідів; чисельність реєстрацій СТМ, відбитих від метеорних слідів; довжина хвилі СТМ і нестабільність його несучої частоти, виражена як середньоквадратичне відхилення (СКВ) від номінальної величини робочої частоти ТВ РПП; широта розташування приймальної позиції; азимут і відстань до ТВ РПП, сигнал якого «використовується» як зондуючий. Значення вихідних параметрів задавалися згідно з існуючими результатами радіометеорних спостережень, наведеними у відповідній літературі.

Результати математичного моделювання та оцінки похибок доводять, що найпростіший варіант вимірювання швидкості вітру в МНТ за СТМ може бути реалізований системою, в якій просторова селекція СТМ, відбитих від метеорних слідів, виконується за рахунок ДС приймальної антени, а приймальний пристрій системи лише виявляє відбитий сигнал і вимірює його ДЗЧ (різницю між несучою частотою відбитого сигналу і величиною робочої частоти відповідного ТВ РПП). Така система могла б проводити неперервний моніторинг амплітуд і фаз атмосферних припливів, оскільки величина похибки визначення амплітуд гармонік усередненої добової варіації швидкості вітру менша за очікувані величини амплітуд припливних коливань і становить не більше 10 % від їх значень. При цьому коефіцієнт кореляції між апріорі заданими і розрахованими внаслідок моделювання рядами середньогодинної швидкості вітру набуває значення більше 0,6, що дозволяє з надійністю висновку 0,95 відкинути гіпотезу про їх некорельованість (за умови, що кожен ряд містить не менше 12 оцінок швидкості вітру).

У третьому розділі теоретично обґрунтовано і розроблено структуру апаратного та програмного забезпечення метеорної радіотехнічної системи для моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі за СТМ.

Вимірювання ДЗЧ відбитих сигналів у системі, що розробляється, ускладнене тим, що у приймальній позиції відсутній опорний сигнал від «використовуваного» ТВ РПП через його значне віддалення (100...1000 км). Отже, ДЗЧ в такій системі має бути оцінений за різницею між вимірюваною частотою сигналу, відбитого від метеорного сліду, і апріорі відомої величиною робочої частоти ТВ РПП, що є джерелом цього сигналу. Очікувані ДЗЧ несучої відбитих сигналів складають десятки герц, отже, вимірювання несучої частоти відбитих сигналів має проводитися з похибкою не більше одиниць герц. Однак через обмежену тривалість радіосигналу, відбитого від метеорного сліду (в середньому 0,1 с), похибка оцінки його частоти типовими методами вимірювання (лічильним методом і спектральними методами, які використовують швидке перетворення Фур'є, ШПФ), на порядок перевищує необхідну величину похибки вимірювання ДЗЧ.

Для досягнення необхідної величини похибки оцінки ДЗЧ обґрунтовано застосування в радіотехнічній системі, що розробляється, багатоканального кореляційно-фільтрового оптимального вимірювача частоти когерентного сигналу з випадковими амплітудою і початковою фазою. Цей вимірювач пропонується реалізувати на етапі цифрової обробки сигналу як додатковий алгоритм, що уточнює частоту радіосигналу, попередньо визначену за його ШПФ-спектром. Тоді, при тривалості радіосигналу в 0,1 с, СКВ оцінок частоти складає не гірше 1,1 Гц за умови, що параметр виявлення сигналу q ? 5 (q - параметр виявлення, q = (2EN₀)^0,5, де E - енергія відбитого сигналу; N₀ - спектральна густина середньої потужності шуму).

Реалізація алгоритмів цифрової обробки, необхідних для вимірювання ДЗЧ несучої СТМ, відбитих від метеорних слідів, ускладнена через те, що обсяг пам'яті ЕОМ, необхідний для збереження відліків сигналу, дискретизованого на радіочастоті, виходить за межі практично реалізованих величин і перевищує десятки ТБдобу. Обґрунтовано, що, поряд з гетеродинним перетворенням частоти прийнятого сигналу, використання методів аналого-цифрового перетворення з недостатньою вибіркою та децимації частоти дискретизації вузькосмугових сигналів дозволить представити відбитий сигнал послідовністю відліків з частотою дискретизації від 32 кГц (при виконанні вимірювань тільки за сигналом несучої частоти відбитих СТМ) до 1 МГц. Це дозволяє більш ніж в 100 разів зменшити необхідні обсяги пам'яті ЕОМ до практично реалізованих величин в десятки-сотні ГБдобу.

Також в третьому розділі наведено рекомендації, що забезпечують приймання та обробку СТМ, відбитих від метеорних слідів, в умовах реальної завадової обстановки, що притаманна місту. Обґрунтовано, що цього можна досягнути при екрануванні приймальної антени природними або штучними перешкодами та застосуванні як преселектора приймального пристрою фільтрів на «спіральних» резонаторах.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних радіометеорних досліджень динамічних параметрів атмосфери Землі на висотах МНТ, отриманих на створеній експериментальній радіотехнічній системі (див. рис. 2), що використовує СТМ як зондуючі.

Серія попередніх випробувань показала, що розроблена експериментальна радіотехнічна система дозволяє оцінювати частоту радіосигналу з рівнем в одиниці мікровольт (при співвідношенні СШ на вході 2...4) за час вимірювання в 0,1 с з СКВ оцінок частоти в одиниці герц .

За допомогою створеної системи, на прикладі СТМ від ТВ РПП м. Харків та м. Старий Оскол, експериментально показано, що величина нестабільності несучої частоти СТМ на інтервалі часу в 0,1 с (середня тривалість радіометеору) є допустимою для проведення вимірювань швидкості вітру на висотах МНТ і становить не більше одиниць герц (близько 10^-8 відносно значення несучої частоти радіосигналу зображення СТМ).

Експериментальні радіометеорні дослідження динаміки МНТ за СТМ проведені на базі Науково-навчального центру кафедри «Основи радіотехніки» ХНУРЕ (50°N; 36,2°E). Як зондуючі сигнали використано СТМ другого радіоканалу (номінальна f₀ = 59,25 МГц) від ТВ РПП в м. Київ, Дубки, Старий Оскол, Bгlюi (Бєльці). Дослідження проведені 01...03; 12...14; 16...19; 21...23 квітня 2010.

Рис. 2. Структурна схема створеної експериментальної радіотехнічної системи для вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ за СТМ. Позначення на схемі: D - блок децимації частоти дискретизації; ШПФ - блок швидкого перетворення Фур'є; ПП - пороговий пристрій; Блок уточнення частоти - багатоканальний кореляційно-фільтровий оптимальний вимірювач частоти когерентного сигналу з випадковими амплітудою і початковою фазою

За весь період досліджень було зареєстровано понад 7,5 тис. сигналів, ідентифікованих як СТМ, відбиті від метеорних слідів (приклад реєстрації див. на рис. 3).

Відхилення несучої частоти відбитих від метеорних слідів СТМ відносно робочої частоти відповідних ТВ РПП (?f) досягали 40 Гц. Ці відхилення на порядок і більше перевищують СКВ робочої частоти ТВ РПП, зумовлене її нестабільністю. Отже, частота сигналів, відбитих від метеорних слідів, зазнає додаткового зсуву, викликаного дрейфом метеорних слідів під дією вітру на висотах МНТ. Для верифікації отриманих експериментальних результатів використано дані приладу TIDI на борту супутника TIMED Національного управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (NASA), США, і МРЛС SKiYMET, обсерваторії Коллм (Collm), Німеччина, (51,3°N, 13°E).

Дослідження кореляційного зв'язку (див. рис. 4) між усередненими добовими варіаціями середньогодинних відхилень несучої частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів (?f_ср ), і проекціями векторів середньої швидкості вітру в МНТ на різні напрямки, отриманих за даними приладу TIDI на борту супутника TIMED () і МРЛС обсерваторії Коллм (), доводять переконливість удосконаленого радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ, який набув розвитку у дисертації. З рис. 4 видно, що спостережувані варіації ?f_ср пропорційні «поздовжній» компоненті середньої швидкості вітру в МНТ з коефіцієнтом кореляції більше 0,58 (гіпотеза про некорельованість може бути відкинута з довірчою ймовірністю понад 0,95). При цьому «поздовжня» компонента відповідає зональній компоненті вектора швидкості вітру в МНТ з використанням СТМ від ТВ РПП м. Київ та меридіональній компоненті з використанням СТМ від ТВ РПП м. Старий Оскол, Дубки, Бєльці.

Рис. 3. Приклад реєстрації СТМ, відбитого від метеорного сліду: а) варіація рівня радіосигналу; б) варіація переважної частоти в спектрі радіосигналу; в), г) спектри радіосигналу поблизу несучої частоти під час і за відсутності метеору; д ), е) спектри обвідної радіосигналу під час і за відсутності метеору

Рис. 4. Модуль коефіцієнта кореляції між виміряними зсувами несучої частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів, і проекціями вектора швидкості вітру на висотах МНТ

метеорний радіотехнічний мовлення

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу удосконалення радіометеорного методу моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі, що дозволяє створити новий клас метеорних РЛС без власного радіопередавального пристрою, які використовують сигнали ефірного телевізійного мовлення як зондуючі. Це дає можливість розгорнути систему рознесених пунктів радіометеорного моніторингу динамічних параметрів мезопаузи-нижньої термосфери на базі існуючої мережі передавачів ефірного телевізійного мовлення без погіршення електромагнітної обстановки, значно зменшити витрати на проведення таких досліджень і виключити негативний вплив на навколишнє середовище. Під час вирішення даної задачі отримано наступні результати:

1. Запропоновано удосконалення методу радіометеорного вимірювання вектора швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери (80...105 км), які дозволяють використовувати сигнали ефірного телевізійного мовлення першого-третього радіоканалів (49,75...77,25 МГц) як зондуючі. Обґрунтовано, що таке використання сигналів телевізійного мовлення можливе за рахунок:

- розробленого методу вимірювання компоненти вектора швидкості вітру, яка є проекцією на напрямок з точки прийому на телевізійний передавач, котрий використовується як джерело зондуючого сигналу. Аналітично доведено, що для вимірювання придатні лише сигнали, відбиті від метеорних слідів над приймальною позицією (в межах зенітного кута не більше ± 45?). Показано, що для вимірювання слід використовувати сигнали від телевізійних радіопередавачів, віддалених на відстань від 100 до 1000 км від приймальної позиції;

- розробленого методу визначення азимута на телевізійний радіопередавач за зіставленням виміряного значення зміщення несучої частоти (ЗНЧ, рос. СНЧ) телевізійного сигналу, відбитого від метеорного сліду, з апріорі відомими робочими частотами телевізійних радіопередавачів в радіусі 1000 км відносно приймальної позиції;

- експериментально встановленого факту, що величина нестабільності несучої частоти сигналу телевізійного мовлення на інтервалі часу, обмеженому середньою тривалістю радіометеора (0,1 с) і більше, до одиниць діб, є допустимою для проведення вимірювань і не перевищує одиниць герц (має порядок 10^_8 відносно значення частоти несучої).

2. Методом статистичного комп'ютерного моделювання оцінено похибку вимірювання середньогодинної швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за сигналами ефірного телевізійного мовлення, яка не перевищує 10% відносно амплітуд припливних коливань швидкості вітру на цих висотах.

3. Науково обґрунтовано структуру нової метеорної радіотехнічної системи, що реалізує вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за сигналами ефірного телевізійного мовлення, в основу якої покладено наступні рішення:

- використано алгоритм цифрової обробки сигналів, реалізований за багатоканальною кореляційно-фільтровою схемою оптимального вимірювача частоти когерентного сигналу з випадковими амплітудою і початковою фазою, для оцінки частоти несучої прийнятих сигналів телевізійного мовлення. За рахунок використання цього алгоритму на порядок зменшено похибку вимірювання частоти сигналу, обмеженого за часом тривалістю радіометеора (0,1 с), порівняно з лічильним методом або спектральними методами, реалізованими на базі алгоритму швидкого перетворення Фур'є;

- використано методи аналого-цифрового перетворення з недостатньою вибіркою та децимації частоти дискретизації відліків прийнятих радіосигналів. За рахунок цього в сотні разів зменшено обсяг пам'яті ЕОМ, необхідний для збереження експериментальних даних та їх цифрової обробки, до практично реалізованих величин, які не перевищують десятки ГБдобу ;

- застосовано екранування приймальної антени радіотехнічної системи природними або штучними перешкодами, за рахунок чого до 30 дБ послаблюється рівень завадових сигналів, що поширюються «земною хвилею» від околишніх телерадіопередавачів. Це дозволяє виконувати запропоновані вимірювання за сигналами телевізійного мовлення в умовах реальної міської завадової обстановки.

4. Створена експериментальна радіотехнічна система дозволила вперше виконати моніторинг динамічних параметрів атмосфери Землі на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за сигналами ефірного телевізійного мовлення.

5. Переконливість отриманих експериментальних результатів вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи-нижньої термосфери за сигналами ефірного телевізійного мовлення підтверджено їх зіставленням з даними супутника TIMED, NASA, США, і метеорної РЛС SKiYMET, обсерваторії Коллм, Німеччина. Показано, що коефіцієнт кореляції між кожною з вимірюваних компонент вектора швидкості вітру з відповідними даними супутника становить 0,58...0,7. Аналіз значущості величин коефіцієнта кореляції дозволяє з довірчою імовірністю більш ніж 0,95 відкинути гіпотезу про некорельованість результатів вимірювань.

6. Результати дисертаційної роботи використані в НДР № 239_5; НДР № 260_4, а також при проведенні робіт в рамках міжнародного співробітництва за грантом імені Леонарда Ейлера # 0505899 та дослідницьким грантом для аспірантів і молодих вчених A0996888 під егідою Німецької служби академічних обмінів (DAAD), що підтверджено відповідними актами впровадження. Запропоновані удосконалення радіометеорного методу вимірювання швидкості вітру та створена радіотехнічна система захищені двома патентами України.

Перелік праць

1. Пат. 58636 Україна, МПК G 01 S 1358 (2006.01). Спосіб вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення В. Д. Кукуш, А. М. Олейніков, С. О. Маковецький. Заявник і власник Харківський національний університет радіоелектроніки.- Заявка u 2010 08168; заявл. 30.06.2010; опубл. 26.04.2011. Бюл. № 82011.

2. Пат. 58527 Україна, МПК G 01 S 1358 (2006.01). Пристрій для вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення А. М. Олейніков, В. Д. Кукуш, С. О. Маковецький. Заявник і власник Харківський національний університет радіоелектроніки.- Заявка u 2010 13684; заявл. 18.11.2010; опубл. 11.04.2011. Бюл. № 72011.

3. Oleynikov A. N. Seasonal variation of space-time parameters of internal gravity waves over Kharkiv (49є30ґN, 36є51ґE) A. N. Oleynikov, D. M. Sosnovchik, V. D. Kukush, Ch. Jacobi, K. Frцhlich Journal of atmospheric and solar - terrestrial physics. -- 2007. -- Volume 69. -- P. 2257--2264.

4. Радиометеорные исследования сезонных вариаций пространственно-временных параметров внутренних гравитационных волн над Харьковом (49°30'N, 36°51'Е) А. Н. Олейников, Д. М. Сосновчик, В. Д. Кукуш, Ch. Jacobi, K. Frцhlich Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. -- 2008. Вып.152. -- С. 53--59.

5. Олейников А. Н. Повышение эффективности разнесенной системы радиолокации метеорных следов А. Н. Олейников, Ю. В. Лыков, В. Д. Кукуш Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. -- 2009. Вып. 157. -- С. 5--12.

6. Использование сигналов телевизионного 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. Вып.160. -- С. 47--55.

7. 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. -- Харьков: ХУВС. -- 2010. -- Вып. 1(82). -- С. 110--118.

Размещено на Allbest.ru