Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 106

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

Анализ стандартных изображений амплитуд отраженных сигналов показал, что по ним невозможно определить наличие объекта даже по разнице этих изображений. Из представленных рисунков видно, по фазовой структуре удается точно определить нали-

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 94чие объекта, а по направлению искривлений изолиний в его окрестности охарактеризо­вать его как проводящий объект.

Расстояние, см

Рис. 4. Изображения фазовой структуры

. сигналов по трассе движения георадара

Таким образом, показано, что:

1. Фазовая структура радиолокационных сигналов, отраженных от неоднородно-стей подповерхностной структуры грунта позволяет получать дополнительную информа­цию об их физических свойствах, которую невозможно извлекать, используя только ин­формацию об амплитуде этих сигналов.

2. Крутизна нарастания фазового сдвига от глубины очень сильно зависит от влаж­ности и физических свойств пород грунта.

3. Изображения фазовой структуры сигналов по профилю движения георадара по­зволяют оценивать изменчивость физических свойств пород грунта (в частности, влажно­сти).

Литература

1. Vladimir G. Sugak and Alexander V. Sugak. Phase Structure of Signals in Ground Penetrating Radar Applications // IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement (в печати).

2. Овчинкин О.А., Сугак В.Г. Влияние электрических свойств грунта на характери­стики сигнала при подповерхностном зондировании // Радиофизика и электроника. Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины.- Харьков.- 2001.- 6, - № 2-3.- С. 235 - 241.

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 1 9 5

МОДЕЛІ СТАТИСТИЧНО НЕОДНОРІДНИХ СЕРЕДОВИЩ

Боєв А. Г.1, Петрова А. Ю.2, Черемська Н. В.3, Янцевич А. А.2 1 Радіоастрономічний інститут НАН України, ^Харківський національний університет ім.. В. Н. Каразіна 61000, Харків, м. Свободи, 4, каф. віщої математики та інформатики, тел. (057) 707-51-90, Е-шаіі: Artem.A.Yantsevych@univer.kharkov.ua , 3Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» The analysis of decameter interferometer УРАН-І data is considered in the report by means of models of nonstationary random processes. For visibility function the conception was obtained which characterizes experimental data more adequate and can be used for data process­ing in radioastronomical researches.

Вступ. В сучасній теорії розповсюдження електромагнітних та звукових хвиль в атмосфері в багатьох випадках доводиться брати до уваги турбулентність, яка визиває флуктуації показника заломлення повітря. В деяких випадках турбулентність атмосфери визиває флуктуації параметрів хвиль, які розповсюджуються через неї (амплітуди, на­прямки розповсюдження, частоти, фази та інші). Ці ефекти є джерелами спотворень та помилок в системах зв'язку, локації, радіонавигації, системах управління. Особливо впливові флуктуації параметрів світлових хвиль, що набуває зараз особливого значення в зв'язку з розвитком оптичних квантових генepaтopiв. В інших випадках турбулентність виступає як джерело неоднорідностей, які визивають розсіяння радіохвиль. Це явище виграє важливу роль при далекому розповсюдженні ультракоротких радіохвиль за об­рій, через те, що розсіяне поле може значно перебільшувати поле, яке обумовлене дифра­кцією навколо поверхні Землі [1, 2]. Таким чином, турбулентний рух атмосфери або рі­дини є визначаючим в дослідженні розповсюдження хвиль різноманітного типу. Опис самих турбулентних pyxів також спирається на вивчення специфічних статистичних за­кономірностей. [2, 3].

При моделюванні статистичних властивостей середовища (атмосфера, океан) вихо­дять зазвичай з припущення, що ці властивості можуть бути описані однорідним та ізо­тропним полем або випадковим полем з однорідними прирістами першого порядку. Структура відповідної кореляційної функції при цьому визначається на пiдставi розв'язку рівняння однорідної та ізотропної турбулентності, яке можна отримати усередненням рі­вняння гідродинаміки з використанням будь-якої гіпотези замикання. Флуктуації швид­кості руху рідини (в^у) та температури у випадковому середовищі приводять до відповідних флуктуацій тиску або показника заломлення (діелектричної проникності). Тому задача розповсюдження звуку або електромагнітних хвиль стає стохастичною.

Проте, перелічені вище моделі непридатні для опису середовищ, які знаходяться у перехідному стані (наприклад, плазма випадковим чином змінює свій заряд), або коли електромагнітні хвилі розповсюджуються поблизу земної кулі та статистична неоднорід­ність середовища порушується, а також при розсіянні електромагнітних хвиль на сліді від ракети, при розсіянні хвиль в атмосфері Венери та інших планет Сонячної системи.

Розв'язки цих задач потребує відмови використання кореляційної теорії стаціонарних випадкових функцій або однорідних випадкових полів та залучення таких моделей кореля­ційних функцій, які б враховували статистичну нестаціонарність або неоднорідність.

Розглянемо аналіз даних декаметрового інтерферометру УРАН-І за допомогою моделей нестаціонарних випадкових процесів.

Інтерферометр УРАН-І призначено для дослідження кутових розмірів джерел кос­мічного радіовипромінювання в декаметровому діапазоні радіохвиль за допомогою вимі­рювання нормірованого коефіцієнту кореляції сигналів, які прийняті в рознесених на від­стань 42,6 км точках прийняття сигналів (радіоастрономічна обсерваторія ім. С. Я. Брауде поблизу с. Гракові та м. Зміїв Харківської області) [4, 5]. Опорним інструментом в проце­сі вимірювання є інтерферометр, який працює в діапазоні 10-25 МГц та який має розши­рення близько кутової хвилини. При вимірюванні коефіцієнту кореляції сигналів, що приймаються антенами, необхідно враховувати їх часові запізнення i зміну кута повороту

СРРСН'2008

І-ч. 2 - 1 96площини поляризації в різних пунктах приймання, яка виникає через ефект Фарадея при розповсюдженні радіохвиль в іоносфері.

Для безпосереднього вимірювання нормованого коефіцієнту кореляції радіосигна­лів, що прийняті антенами в рознесених пунктах, вимірюються їх потужності за допомо­гою лінійних (за потужністю) радіометрів.

Зазвичай сигнал, що приймається, моделюють за допомогою стаціонарного випад­кового процесу. Однак, результати досліджень флуктуацій, які виникають при розповсю­дженні радіохвиль в іоносфері, показують, що їх статистичні характеристики, зокрема, кореляційні функції, обладають істотною нестаціонарністю. Так, "змінні" спектри флук­туацій, тобто спектральні розклади, які відповідають даному інтервалу вимірювання, по­ряд з часовою нестаціонарністю характеризуються різкою неравномірністю розподілу змінної спектральної щільності за частотою.

Під час частотного аналізу можуть спостерігатися часові зростання інтенсивності ("викиди"), які можуть не з'являтися при повторних випробуваннях. Збільшення інтерва­лу вимірювання часто не приводить до "стаціонарізації результатів вимірювань. Тому є необхідним статистичний аналіз результатів ряду незалежних вимірювань, які проведені в ідентичних умовах.

Час усереднення протягом радіоастрономічних вимірювань складає 2 секунди, що дозволяє скористатися теорією "замороженої" турбулентності, проте, на всьому інтервалі вимірювання, а він порядку 3-5 хвилин, усереднена апаратурно крива має яскраво вира­жені максимуми та мінімуми. На інтервалах, де крива повільно змінюється, її можна ап-роксимувати квазістаціонарним процесом. На інтервалах, що містять окіл "злому" кривої, значення кривої різко змінюються, що пов'язано з істотною нестаціонарністю. Тому ви­никає необхідність в моделюванні таких даних за допомогою моделі нестаціонарного ви­падкового процесу.

Наявність "викидів" при експериментальному дослідженні флуктуацій радіохвиль свідчить про наявність зростаючих (спадаючих) флуктуаційних складових, які не врахо­вує модель випадкового процесу (поля):

де #(Ґ) - стаціонарний векторний процес (#(г) - однорідне випадкове поле), І =     #2, #з), #0, #1, #2, #3 - випадкові величини [1].

Якщо скористатися спектральним розкладом стаціонарних випадкових процесів або однорідних випадкових полів, то (1) являє собою суперпозицію гармонічних (просторо­вих) осциляторів з випадковими амплітудами та дійсними частотами плюс лінійна функ­ція часу (координат). Наявність "викидів" свідчить про появу "гармонік" з комплексними частотами. В цьому випадку врахування цих комплексних частот приводить до моделі нестаціонарного випадкового процесу, який характеризується комплексним спектром, що міститься в верхній комплексній півплощині для спадаючих флуктуацій, та в нижній пів-площині - для зростаючих.

Для точнішого опису експериментальних даних можна скористатися моделлю не­стаціонарного процесу:

де Xк к + і-^-, к = 1,2 (вк характеризує нестаціонарність).

Для зручності введемо явну змінну 70 = / - 5, яка виконує роль годинного кута. Тоді для функції видності отримаємо вираз:

(1)

'02 '

(2)

|2 20 + 20

СОБСо + \Ь2\  Є 2

,2 920 + 20

СОБ «2^0

у($, s) = у(Т0,і)

(3)

СРРСН'2008

І-ч. 2 - 1 97

Функція видності ;?(7о, 0 залежить не тільки від То , але і від ґ. При побудові від­повідних кривих |;?(То, ґ)| слід розглядати однопараметричне сімейство кривих, які зале­жать від ґ.

На рис. 1, наведено результати вимірювання модуля функції видності джерела ЗС 234 при різних годинних кутах То на інтерферометрі УРАН на частоті 25 МГц [5], де лінія 1 - значення експериментальних даних з "вусами" (середньоквадратичними відхи­леннями ±<ту); лінія 2 - модельна крива у(Т)) (в припущенні стаціонарного сигналу) [5];

лінії 3 та 4 - модельні залеж­ності г (То) (за допомогою мо­делі нестаціонарного процесу (2)).

Вертикальні лінії "вуси" (рис. 1, лінія 1) характеризу­ють похибки вимірювань че­рез зміни властивостей сере­довища, а різна довжина "ву­сів" (тобто величина серед-ньоквадратичного відхилення) свідчить про статистичну не-стаціонарність властивостей середовища.

Апроксимація експери­ментальних даних модельною кривою, яка була побудована на підставі припущення про стаціонарність відповідного сигналу [5] (лінія 2), не зовсім адекватно описує експериментальні дані (на рис. 1. лінія 2 не входить в область "вусів").

Поведінка функції видності при додатних та від'ємних годинних кутах відрізняєть­ся (лінія 1), через те, що відрізняються умови приймання радіосигналу на антени різної поляризації. Тому пропонуються дві модельні криві для апроксимації даних: одна для додатних кутів, інша для від'ємних (лінії 3 та 4).

Висновок. На рис. 1 видно, що отримана модель нестаціонарного процесу (3) більш адекватно описує експериментальні дані порівняно з моделлю випадкового поля з одно­рідними прирістами першого порядку, і тому може бути використана для обробки даних при радіоастрономічних дослідженнях Література

1. Татарський В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. - М.: Наука, 1967. - 548 с.

2. Алимов В. А. Рахлин Л. В. О фазовых флуктуациях радиоволн за турбулентным следом // Мин-во образования и науки Рос. Федерации ВУЗов радиофизики. - Нижний Новгород, 2005. - Т. ХЬУШ. - №7 - С. 563-573 .

3. Петрова А. Ю. Корреляционная теория некоторых классов нестационарных слу­чайных функций конечного ранга нестационарности // Радиоэлектроника и информатика.

- 2оо7. - №1. - С. 29-34.

4. Рашковский С. Л. Система декаметровых радиоинтерферометров УРАН. Часть 3. Методика и алгоритмы обработки результатов экспериментов // Радиофизика и радиоас­трономия. - 2000. - Т. 5. - №5. - С. 20-28.

5. Мень А. В., Брауде С. Я., Рашковский С. Л., Шарыкин Н. К., Шепелев В. А., Инютин Г. А., Ващишин Р. В., Браженко А. И., Булацен В. Г. Экспериментальное иссле­дование угловой структуры излучения радиогалактики 3С 234 в декаметровом диапазоне радиоволн // Астрономический журнал. - 2003. - Т. 80. - №12. - С. 1127-1135.

СРРСН'2008

І-ч. 2 - 1 9 8

РАДИОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И СДВИГА ВЕТРА В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Зубков О.В., Сидоров Г.И., Величко С.А. Харьковский национальный университет радиоэлектроники 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, каф. Радиоэлектронных систем, тел. (057) 702-15-87, E-mail: res@kture.kharkov.ua, тел. (8057) 340-66-08 The results presented in this paper concern the possibility to develop a radio acoustic sys­tem for vertical sounding of atmosphere boundary layer in order to measure horizontal wind speed and wind shear above runway. The objective is to provide aircrafts takeoff/landing with meteorological data. Antennas placement scheme and their parameters are shown, the move­ment process of acoustic wave packet sent out vertically has been described, as well as its dis­placement caused by horizontal wind. Then, it has been explained the technique of acoustic packet current coordinates measurement, determination of horizontal wind speed vector compo­nents and wind vertical shear. The results of metrological performance studying of the radio acoustic measurer are given.

В настоящее время для метеорологического обеспечения авиации используются ре­зультаты вычислений сдвига ветра по измерениям скорости и направления ветра кон­тактными датчиками, расположенными на разных уровнях высотных сооружений в зоне аэродрома. Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять метео­параметры в 300-метровом слое непосредственно над самой взлетно-посадочной полосой (ВПП), а только на расстоянии нескольких километров от нее на высотах не более 40 - 50 метров с пространственно-временной экстраполяцией результатов. Получаемые резуль­таты только приближенно соответствуют параметрам атмосферы на ВПП, а наиболее опасные атмосферные вихри диаметром 50 - 100 м над ВПП вообще не обнаруживаются.

Сдвиг ветра может быть вычислен по результатам измерения скорости ветра допле-ровскими системами акустического или радиоакустического зондирования [1,2,3,4]. Не­достатками этих методов является необходимость зондирования в нескольких направле­ниях внутри выбранного пространства конуса с достаточно большим телесным углом.

В работе предложено радиоакустическое устройство для измерения скорости гори­зонтального ветра при зондировании атмосферы в одном вертикальном направлении.

На рис. 1 представлены траектория движения акустического пакета под действием ветровых потоков и конфигурация антенной системы радиоакустического измерителя.

Траектории движения акустического пакета под действием воздушных потоков (рис. 1) может быть описана, как перемещение конца радиус - вектора R(t), соединяюще­го точку излучения (начало координат) с текущим местоположением акустического паке­та. Длина радиус - вектора, изменяющегося во времени, может быть представлена в виде:

R(t) = 4 X 2(t) + Y 2(t) + Z 2(t), (1) и его проекции на оси координат:

Z (t) =_=£Ш=_, (2)

^1 + tg 2a(t) + tg 2p(t)

R(t)tga(t) ф + tg 2a(t) + tg 2p(t)

R(t)gp(t)

ф + tg2 a(t) + tg 2p(t)

X (t) R(t)tga(t)       , (3)

Y (t) R(t)tgP(t)       , (4)

где

tga(t) = 7

Z (t)    °,w   Z (t)

tga(t) = X(t), tgp(t) = Y(t). (5)

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 1 9 9ъ

Рис. 1. Траектория движения акустического пакета

Ввиду прямолинейности распространения радиоволн длина вектора может быть вычислена по измеренному значению радиальной скорости движения пакета

К

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа