Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 11

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 

4. Основные положения теории. Для создания эффективных систем РАЗ необхо­дима глубокая теоретическая разработка соответствующих вопросов аппаратурного ха­рактера с использованием адекватных подходов, поскольку многие вопросы данного на­правления не содержатся в теории радиолокационных систем. Изложим кратко основные теоретические результаты, полученные в последнее время, прежде всего учеными Харь­ковского национального университета радиоэлектроники. Обнаружена закономерность в формировании рассеянного на звуке радиосигнала как взаимная автокорреляционная функция по дальности излучаемых электромагнитного и акустического колебаний. Зако­номерность вытекает из известных соотношений, полученных теоретическим путем, и подтверждается многочисленными экспериментальными результатами. Созданы адекват­ные конструктивные модели информационных каналов - радиоакустического и акустиче­ского. Введена двумерная взаимокорреляционная функция акустического и радиосигна­лов - функция рассеяния, теоретическим путем определены основные её свойства, выра­жающие наиболее общие характеристики рассеянных сигналов. Задача рассеяния элек­тромагнитной волны на звуке представлена с помощью аппарата теории сигналов и функционального анализа, вследствие чего значительно повышается конструктивность рассмотрения. Функция рассеяния, «вобрав» в себя свойства среды взаимодействия и характеристики зондирующих акустического и электромагнитного колебаний, позволяет

СРРСН'2008

1-ч.1 - 81достаточно просто находит вид рассеянного сигнала, соответствующий разнообразным условиям. Благодаря этому открываются широкие возможности для исследования раз­личных видов зондирующих колебаний и развития теории рассматриваемых систем в це­лом. Разработаны методы исследования зондирующих акустических и электромагнитных сигналов. Представление функции рассеяния в различных математических формах и гра­фически в виде поверхностей - тел рассеяния позволяет, используя различные виды се­чений тел, осуществлять эффективный анализ зондирующих векторных радиоакустиче­ских сигналов. Изучены виды сигналов - наиболее часто используемые на практике и перспективные. Показано, что применяемые в настоящее время в радиоакустических сис­темах алгоритмы обработки принимаемых сигналов, заимствованные из радиолокации, не адекватны процессам, происходящим в радиоакустическом локационном канале, по­скольку не учитывают изменение структуры сигнала при рассеянии на звуковой посылке. Это приводит к существенному ухудшению показателей качества станций, в частности точности измерения температуры ( погрешность может достигать единиц градусов). Для получения оценок максимального правдоподобия измеряемого параметра опорные сиг­налы в различных точках диапазона возможных значений данного параметра должны от­личаться видом, формой а не являться копией излучаемого радиосигнала, как это приня­то. Формы опорных колебаний многоканального устройства обработки следует опреде­лять с помощью функции рассеяния, отображающей особенности преобразования в кана­ле. Синтезированные алгоритмы обработки сигналов можно рассматривать как обобще­ние результатов теории радиосистем на случай, когда форма сигнала при рассеянии пре­образуется по детерминированному закону. Если рассеивающий объем вырождается в точечную цель, то принимаемый и опорный сигналы становятся копией зондирующего, излучаемого радиосигнала. Предложенные процедуры обработки сигнала сводятся в этом случае к известным ранее алгоритмам оценивания параметров колебания.

Выводы. Состояние станций РАЗ атмосферы, находящихся в эксплуатации, не удовлетворяет современным требованиям практики метеонаблюдений, в связи с чем тре­буется существенное улучшение их основных показателей качества. Имеющиеся поло­жение обусловлено тем, что проектирование аппаратуры осуществлялось, как правило, на основе заимствования известных решений из других областей. Построение более совер­шенных систем РАЗ требует создания моделей и методов описания и исследования взаи­модействия зондирующих сигналов со средой и решения на их основе теоретических и практических задач по оптимизации систем данного класса.

Литература

1. Каллистратова М. А., Кон. А. И Радиоакустическое зондирование атмосферы. 1985. М.: Наука- 196 с.

2. Бабкин С. И., Куценко В. И., Пахомов Ю. А. и др. Система радиоакустического зондирования атмосферы сантиметрового диапазона волн// 5 Всесоюз. симп. по лазерно­му и акустическому зондированию атмосферы: Тез.докл.,ч.3. 1978. Томск: ТФСО АН

СССР- С.143-146.

3. Vogt S. Advantes in RASS since 1990 and practical application of RASS to air pollu­tion and the ABL studies// 1996. Proc.of ISARS'96. Moscow. Р. 37- 50.

4. Карташов В. М. Особенности обработки радиосигнала, рассеянного акустиче­ским волновым пакетом//1998. Радиотехника (Харьков) №105. С. 75-79.

5. Гурвич А. С., Кон А. И., Налбандян О. Г. и др Методы радиоакустического зон­дирования атмосферы. 1976 Препр. ИФА АН СССР -М.: Наука.- 43 с.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 82

О НОВОМ ПОДХОДЕ К ПОСТРОЕНИЮ АЛГОРИТМА РАДИОАКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ВОЗМУЩЕННЫХ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЯХ ПОГРАНИЧНОГО

СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

Леонидов В.И.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники 61166, Харьков, пр. Ленина 14, каф. Биомедицинских электронных систем Тел. (057) 702 -13 -64, е-mail: bykh@kture.kharkov.ua ; факс(057) 702-11-13 Expedience of the use of the RAS-system as the system of the expert analysis of tempera­ture's profile, created on statistical models, is grounded.

Введение. Проблемы динамической метеорологии, проведение разработок в облас­ти развития численных методов прогнозирования погодных условий, а также исследова­ния причин глобального потепления климата планеты требуют организации массовых измерений профилей температуры атмосферного пограничного слоя (АПС) на сети ме­теорологических станций. Решить эту задачу возможно с помощью радиотехнических систем дистанционного зондирования АПС. Наиболее перспективным направлением в этой области является использование систем радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы.

Исходя из необходимости создания сети станций наблюдения, системы РАЗ долж­ны обладать относительно небольшой стоимостью в производстве и эксплуатации. Тако­му требованию отвечают системы с мощностью Pt зондирующего радиосигнала Pt < 20Вт . Однако, как показывают результаты экспериментальных исследований, про­веденных различными авторами при различных термодинамических состояниях АПС [1­2], системы РАЗ при Pt < 20Вт обладают недостаточной функциональной надежностью при исследовании возмущенных термодинамических состояний АПС.

Целью настоящей работы является обоснование возможности определения профи­лей температуры при возмущенных состояниях АПС с помощью систем РАЗ.

Сущность. При Pt < 20Вт обеспечить достаточный потенциал системы РАЗ воз­можно при акустическом волновом пакете с числом периодов N > 100 . При этом макси­мум мощности радио-эхо-сигнала (РдЭС) наблюдается при выполнении волнового соот­ношения (ВС) Лг = 2As cos (р), где Лг и As длины электромагнитной и акустической волн соответственно, р - угол падения радиосигнала на акустический импульс. Так как Xs =(1/fs )20,06/ТГ, где fs - частота заполнения акустического зондирующего импуль­са, и так как в общем случае температура воздуха Тв = F(к), где h - высота, получим Лг (к) = 2 ■(У fs )20,06д/ Тв (к) cos (ср). Следовательно, при Хг = const, как это имеет место в большинстве экспериментальных систем, возникает ошибка ВС л = лг - 2As cos (р), ко­торая приводит к флуктуациям амплитуды и фазы РдЭС и, следовательно, к снижению функциональной надежности системы. В этом случае необходимо определить величину методического допуска (МД) системы РАЗ на диапазон изменения измеряемой величи­ны - температуры воздуха, в пределах которого измерения могут быть проведены с из­вестной погрешностью.

Для определения МД воспользуемся выражениями для относительного ослабления

2 1 2      2    2    —2 I

мощности РдЭС, которые, согласно [1-2] имеют вид: Pr ~ 10 N exp \— 4п N Л Лг J при

огибающей акустического импульса в виде кривой Гаусса и Pr = 10 N2 [sin(x)/x] при пря­моугольной огибающей акустического импульса, где x = лNЛ|Лe , Pr - мощность РдЭС, Io - мощность РдЭС при л = 0 . Численный анализ функций Pr = F(л) относительно ар­

СРРСН'2008

1-ч.1 - 83гумента АТ - отклонения температуры от значения Те§1, при котором ВС выполняется точно, то есть А = Яе -(/) 20,06д/ ТеЛ (к) ± АТ , дает за­висимости, приведенные на рис. 1.

Если в качестве критерия пренебрежимо малых флуктуаций    мощности    РдЭС    принять условие

Р    - Р = -- < 5%

P

то, как следует из зависимости

 

 

 

 

 

N-120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\ (

"""'■X'"

jffl/JKJ І

 

V    I N=200

 

 

 

V

/7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аг

 

ш

 

 

 

 

 

 

і

 

 

 

 

 

 

 

1\/

\

N-126

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

' \ ♦ і

і

'-і_

 

 

 

рис.1, МД будет находиться в пределах АТдоп =±(0,1 * 0,5)) С при N = 200 и АТдоп = ±(0,19 * 0,85)° С при N = 120 .

Видно, что МД системы соизмерим с полем дос­тижимой погрешности измерений при невозмущенном АПС и значительно меньше изменения температуры, обусловленного стратификацией.

Расширить рабочий диапазон измерений можно с помощью системы АПЧ [2] излучаемого радиосигнала, что, однако, несколько увеличит погрешность за счет инертности системы АПЧ.

Так как система АПЧ не может компенсировать флуктуации температуры в области времен (<тя. где тя - длительность акустического

зондирующего импульса то, следовательно, вихри с линейным размером Ак > 1т >ля, где Ак - разрешающая способность по высоте, (микромасштабная турбулентность (ММТ)) возможно будут оказывать существенное влияние на амплитуду РдЭС.

Влияние ММТ на амплитуду РдЭС проанализируем методом имитационного мо­делирования. Положим СКО температуры воздуха, равным стТе [Тв] = 10 С . Модель мощно-

Рис. 1. Ослабление мощности РдЭС от AT

сти РдЭС представим в виде суммы парциальных волн P

N

Z

i=1

Ei ^sm\2nfet + <p0 +<P,

0

где p0 =2

n2h0 n-

начальная фаза радио-эхо-сигнала, h0 - «мертвая зона», pt - фаза i - го

РдЭС, содержащая случайную компоненту и ошибку АТ , Е, - амплитуда напряженности поля парциальной волны, отраженной от / - го периода волнового пакета.

Вводя коэффициент эффективности суммирования парциальных волн по мощности

Pro

< 1, где Pro - мощность РдЭС при Л = 0 , и полагая E, = const получим выражение

kef = 2 N2

N

Z

i=1

sin 2п

Cet + 2h0 + Z 2—20,0^T0 + AT + Te p

p=1

где / - аргумент времени, Т0 - средняя температура воздуха в импульсном объеме, при которой УВС выполняется точно; АТ - отклонение реального значения температуры в импульсном объеме от Т0, Тв1 - турбулентное отклонение температуры от Т0 на / - том периоде акустического волнового пакета в момент времени / = ({, I = (1,2,...N), р = (1,2,.. л). Полученное выражение проанализируем численно.

Результат анализа в виде зависимости рис.2 приводит к двум выводам:

- влиянием ММТ на амплитуду РдЭС можно пренебречь только в окрестностях

точки АТ = 0 в пределах АТдоп =±0,2° С и АТдоп =±0,25° С при N = 120 N = 200 соответ­ственно;

СРРСН'2008

1-ч.1 - 84

Рис. 2. Зависимости kf Т) и <y[kef ] от ДТ

- рост ДТ при аТв [T в ] = const сопровождается ростом <r[kef ].

Так как при расчете Хг используется среднее по времени значение температуры Tit воздуха в одной доступной для измерения точке высоты, например h = 5 м и так как ВС поддерживается «мгновенным» средним значением температуры по импульсному объему TVj , то практически всегда имеет место неко­торая минимальная ошибка St = Tit - Ту = ДТШ;П .

Другим фактором роста ДТ является величина ММТ пульсаций температуры вдоль трассы зондиро­вания (высоты).

В работе [3] приведено описание контактных измерений величины ММТ пульсаций температуры на метеобашне высотой 75м. В результате было показа­но, что при возмущенных состояниях АПС в поле температуры возникают импульсы температуры, про­должительностью tc = 10 c -г 2мин и амплитудой Т = (0,2 0,б)° C . Внутри этих импульсов

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