Многочастотный микроволновый радиометрический метод обнаружения и контроля опасных атмосферных метеоявлений, устойчивый к изменяющимся условиям измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, доктор наук Ростокин Илья Николаевич

• Ростокин Илья Николаевич
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Ростокин Илья Николаевич

Введение

Глава 1. Многочастотные пассивные микроволновые радиометрические методы контроля состояния атмосферы

1.1 Объект исследования микроволнового радиометрического контроля атмосферы

1.2 Особенности микроволнового радиометрического контроля облаков и осадков

1.3 Методы микроволнового радиометрического контроля атмосферы

1.4 Влияние различных дестабилизирующих факторов на точность микроволновых радиометрических методов дистанционного контроля облачной атмосферы

1.5 Определение оптимальных частотных диапазонов микроволнового радиометрического обнаружения и контроля облаков и осадков

Выводы по главе

Глава 2. Многочастотный микроволновый радиометрический метод обнаружения облаков и контроля интенсивности осадков, устойчивый к недетерминированному изменению условий измерений

2.1 Теоретические предпосылки предлагаемого метода

2.2 Основные математические соотношения описывающие функционирование предлагаемого метода

2.3 Принцип формирования ДН дополнительного канала компенсации влияния фонового излучения

2.4 Многочастотный микроволновый метод контроля облачной

атмосферы

2.5 Оценка эффективности метода компенсации влияния фоновых шумов при проведении угломестных измерений радиотеплового излучения однородной атмосферы

Выводы по главе

Глава 3. Практическая реализация и исследование основных характеристик многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля метеообразований

3.1 Структурная схема многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля состояния метеообразований

3.2 Многочастотный двухмодовый облучатель

3.3 Исследование антенного устройства многоволновой микроволновой радиометрической системы контроля состояния метеообразований

3.4 Реализация стационарного и мобильного варианта многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля метеообразований

3.5 Система сбора и обработки данных многочастотной микроволновой радиометрической системы

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля

метеообразований

4.1 Исследование направленных свойств антенного устройства многочастотной микроволновой радиометрической системы

4.2 Исследование облачной атмосферы в зимний период года (декабрь, январь, февраль)

4.3 Исследование облачной атмосферы в весенний период года (март, апрель, май)

4.4 Исследование облачной атмосферы в летний период года (июнь, июль, август)

4.5 Исследование облачной атмосферы в осенний период года (сентябрь, октябрь, ноябрь)

Выводы по главе

Глава 5. Метрологическое обеспечение микроволнового радиометрического контроля атмосферы

5.1 Основные метрологические характеристики микроволновых радиометрических систем контроля атмосферы

5.2 Калибровка пассивной микроволновой радиометрической аппаратуры контроля атмосферы

5.3 Эталонные источники шумового излучения, применяемые для калибровки микроволновой радиометрической аппаратуры

5.4 Внутренняя калибровка многочастотной радиометрической системы по излучению генератора шума

5.5 Внешняя калибровка многочастотной радиометрической системы по радиотепловому излучению безоблачной атмосферы

Выводы по главе

Глава 6. Исследование способа построения мобильного микроволнового метеокомплекса сверхкраткосрочного прогноза развития опасных метеоявлений и наукастинга в промышленно развитом регионе

6.1 Разработка функциональной структуры мобильного метеорологического комплекса предназначенного для решения задачах регионального сверхсрочного прогноза развития опасных явлений погоды и наукастинга

6.2 Исследование возможность применения микроволнового радиометрического метода для оперативной оценки состояния атмосферы и прогноза развития гроз, града, ливней, диагностики атмосферных фронтов

6.3 Комплексные много диапазонные микроволновые радиометрические исследования облачной атмосферы в период формирования и развития неблагоприятных и опасных метеорологических явлений

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

293

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многочастотный микроволновый радиометрический метод обнаружения и контроля опасных атмосферных метеоявлений, устойчивый к изменяющимся условиям измерений»

Введение

Актуальность работы. Микроволновая радиометрия является средством пассивного дистанционного зондирования атмосферы и оценки ее метеопараметров по результатам измерений собственного радиотеплового излучения атмосферы, являющегося результатом теплового движения заряженных частиц. Наибольший вклад в формирование радиотеплового излучения облачной атмосферы вносят кислород, водяной пар, жидкокапельные облака и осадки. На основе данных микроволновых радиометрических измерений в результате решения обратных задач оценивают метеопараметры атмосферы, в частности, влагозапас атмосферы и водозапас облаков, а так же интенсивность осадков, значительные вариации которых могут являться предикторами возникновения опасных метеорологических явлений.

Значительный вклад в развитие и становление методов микроволнового радиометрического зондирования атмосферы внесли научные достижения Шифрина К.С., Башаринова А.Е., Горелика А.Г., Наумова А.П., Кутузы Б.Г., Щукина Г.Г., Фалина В.В., Троицкого A.B., Кадыгрова E.H., и др.

Первичной измеряемой величиной при микроволновом радиометрическом зондировании атмосферы является радиояркостная температура принятого излучения и погрешность ее измерения, от которой, в конечном счете, зависит точность решения обратных задач определения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков, а также достоверность выполняемых на их основе сверхкраткосрочных (в пределах от 0 до 6 ч от срока наблюдения) прогнозов развития опасных погодных явлений или наукастинга.

Информация о радиояркостных температурах атмосферы используется для оценки параметров облачности, вариаций полной массы водяного пара в атмосфере, для анализа синоптической обстановки, локализации зон выпадения осадков, а также для решения ряда других научно-прикладных задач.

Используемые для последующей обработки значения радиояркостных температур усреднены в пределах довольно значительной площади исследуемого

пространства, размеры которого определяются шириной диаграммы направленности антенны и расстоянием от антенны до исследуемого объекта. Помимо сглаживающего действия диаграммы направленности антенны при интерпретации экспериментальных данных следует учитывать ошибки, возникающие из-за конечной величины постоянной времени интегрирования микроволнового радиометра и относительной скорости смещения облаков и диаграммы направленности антенны.

При исследовании характеристик облачной атмосферы представляют интерес как сами значения радиояркостной температуры на различных частотах, так и функционально связанные с ними метеорологические параметры атмосферы (влагозапас атмосферы и водозапас облаков).

Погрешность определения радиояркостной температуры атмосферы, а следовательно и метеорологических параметров, определяется не только флуктуационной чувствительностью, стабильностью и другими техническими параметрами микроволнового радиометра, но и характеристиками антенно-фидерного тракта. Прежде всего, следует учитывать ширину диаграммы направленности, величину коэффициента рассеяния вне неизотропной части диаграммы направленности, стабильность параметров антенны при изменении угла места и азимута, величину потерь в антенно-фидерном тракте.

Собственное радиотепловое излучение атмосферы на каждой частоте зависит как от параметров облачного слоя, так и от содержания в атмосфере водяного пара и вертикальных профилей метеоэлементов. Поэтому, для повышения точности оценок характеристик облачности, наблюдения необходимо вести на нескольких определенным образом выбранных частотах, что дает возможность разделить вклады облачности, водяного пара и кислорода в измеряемые величины - радиояркостные температуры.

Различия в мощности, водности, температуре и фазовом составе облаков отражаются в величине их радиояркостных контрастов на фоне ясного неба.

Достоверные дистанционные методы микроволнового радиометрического мониторинга за кучевыми облаками и их эволюцией могут способствовать

оперативному обнаружению таких опасных (ОЯ) и неблагоприятных (НГЯ) гидрометеорологических явлений, как гроза, шквал, смерч, ливневые дожди, град, ледяной дождь, метель и т.д., приносящих большой ущерб различным отраслям народного хозяйства.

Процесс перехода мощных кучевых облаков (Cumulus congestus - Си cong.) в кучево-дождевые (Cumulonimbus - Cb) сопровождается оледенением вершин СЬ, в результате чего происходит выпадение крупнокапельных ливневых осадков, иногда града, а также появление в наиболее развитых СЬ значительных объемных электрических зарядов, в результате которых возникает молния и СЬ становятся грозовыми.

Основная особенность переохлажденных зон кучево-дождевых облаков СЬ -их сложная микроструктура. СЬ являются пространственно ограниченными средами и представляют собой динамичные неоднородные системы со сложной микроструктурой, при зондировании которых с поверхности Земли в главный лепесток диаграммы направленности антенны попадают не только мелкокапельные переохлажденные зоны облака, но и части слоя дождя, а также фоновое излучение, приходящее по боковым лепесткам диаграммы направленности.

Решение данной задачи заключается в комплексном использовании многоволнового микроволнового радиометрического метода зондирования конвективной облачности, на разных стадиях развития, с пространственным и поляризационным разрешением радиотепловых сигналов с применением метода компенсации влияния фонового излучения.

При наличии в атмосфере капель воды в виде облачной структуры или дождя дополнительную информацию можно получить при проведении поляриметрических исследований, например, при измерении первого (суммарной интенсивности излучения на двух ортогональных линейных поляризациях) и второго (разности интенсивности принимаемого излучения на горизонтальной и вертикальной поляризации) параметров Стокса. Для этого в многодиапазонной микроволновой радиометрической системе должна быть предусмотрена

возможность раздельного приема радиотеплового излучения на двух ортогональных линейных поляризациях с достаточно высокой поляризационной развязкой между измерительными каналами.

Величина поляризационного контраста зависит от размеров и ориентации капель дождя, поэтому является косвенной характеристикой интенсивности дождя. Таким образом, возможность поляризационного приема в микроволновых радиометрических системах повышает точность и достоверность дистанционного определения характеристик гидрометеоров.

Для получения полной информации о состоянии атмосферы в некотором географическом районе требуются данные угловых разрезов - оценок параметров атмосферы при разных углах возвышения антенны. При выполнении измерений при разных углах высоты антенны изменяется помеховый вклад радиошумового излучения окружающего пространства - фоновых шумов, принимаемых через область рассеяния диаграммы направленности антенны, в выходной сигнал радиометрической системы. В таком случае необходимо решать задачу оценки и компенсации влияния фоновых шумов на результаты микроволнового радиометрического зондирования атмосферы.

Один из факторов, влияющих на точность микроволновых радиометрических измерений в условиях выпадения атмосферных осадков, - их слой, образующийся на поверхности зеркальной антенны, обусловленный фрикционными свойствами материала антенны.

При построении микроволновых радиометрических систем дистанционного контроля конвективных облаков и определения интенсивности атмосферных осадков важным является вопрос компенсации влияния фонового шума на результаты измерений, а при разработке систем с возможностью поляриметрических исследований задача компенсации фоновых шумов и обеспечение поляризационной развязки должна решаться комплексно.

Для измерения метеопараметров атмосферы с различной облачной структурой необходимо выполнять прием радиошумового излучения в нескольких частотных диапазонах. Поэтому построение многодиапазонных

микроволновых радиометрических систем является перспективным направлением развития приборов дистанционного зондирования атмосферы.

В этой связи возникает важная актуальная научно-техническая задача разработки прикладных методов и технологий повышения точности дистанционного микроволнового контроля атмосферы на разных стадиях развития конвективной облачности с целью оперативного обнаружения и выдачи предупреждений о возможности развития опасных гидрометеорологических явлений.

Объектом исследования являются микроволновые радиометрические системы, реализующие методы дистанционного контроля атмосферы.

Предметом исследования являются методы и средства повышения точности методов дистанционного контроля атмосферы, в условиях внешнего помехового воздействия изменяющегося фонового излучения.

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, практическая отработка и реализация метода дистанционного многочастотного микроволнового контроля конвективных облаков на разных стадиях их развития, с целью повышения точности предупреждения о возможности возникновения опасных гидрометеорологических явлений, в условиях воздействия постоянно изменяющихся внешних помеховых фоновых излучений.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Произвести выбор оптимальных рабочих длин волн многочастотного измерительного комплекса, позволяющих прослеживать различные стадии развития конвективной облачности и предназначенных для повышения точности оперативного обнаружения опасных (ОЯ) и неблагоприятных (НГЯ) гидрометеорологических явлений.

2. Исследование основных принципов многочастотного микроволнового дистанционного радиометрического исследования пространственной структуры конвективных облаков, основанных на измерении собственного микроволнового излучения различных облачных частиц, проводимых на двух ортогональных линейных поляризациях при различном угломестном и азимутальном положении антенны.

3. Оценить влияние помехового фонового шумового излучения, принимаемого через область рассеяния диаграммы направленности антенны, на изменение уровня выходного сигнала многочастотной микроволновой радиометрической системы при выполнении приема при различных углах возвышения антенны в сложных метеоусловиях.

4. Разработать метод компенсации влияния фонового шумового излучения на результаты поляризационных микроволновых радиометрических исследований облачной атмосферы, основанного на осуществлении двухканального поляризационного приема при формировании дополнительного сигнала компенсации на выходе дополнительного антенного канала со специальной функцией направленности и выполнением процедуры разностных измерений входных сигналов радиометрической системы.

5. Разработать основные принципы построения антенной системы многочастотного микроволнового радиометрического измерительного комплекса, основанные на осуществлении приема на двух ортогональных линейных поляризациях с одновременным формированием сигнала компенсации на выходе дополнительного антенного канала при выполнении поляризационной развязки основных измерительных каналов и развязки основных и дополнительного канала в специальном устройстве - модовом разделителе, работающем в двухмодовом режиме.

6. Разработать функциональную структуру многочастотного микроволнового радиометрического измерительного комплекса, обосновать выбор основных технических характеристик, выбрать оптимальные значения углов зондирования, оптимизировать конструкцию измерительного комплекса, разработать

стационарный и мобильный вариант микроволнового радиометрического измерительного комплекса.

7. Разработать метод калибровки многочастотного микроволнового радиометрического измерительного комплекса, основанный на использовании радиояркостного контраста радиотеплового излучения безоблачной атмосферы принимаемого по основному и дополнительному измерительному каналу при разных углах возвышения антенны.

8. Провести комплексные исследования предлагаемого микроволнового радиометрического измерительного комплекса совместно с традиционными методами контроля интенсивности осадков: автоматизированными метеостанциями и метеорологическими радиолокаторами.

Методы исследования. В данной работе использованы методы математического и физического моделирования, аналитический аппарат технической электродинамики, численные методы расчета и анализа, а также методы экспериментального исследования систем микроволнового радиометрического зондирования облачной атмосферы.

Научная новизна работы заключается в разработке новых подходов и методов дистанционного микроволнового радиометрического контроля облачной атмосферы, основанных на исследовании интенсивности радиотеплового излучения на разных стадиях формирования конвективной облачности в условиях недетерминированного воздействия внешних фоновых излучений, а именно:

- обоснованно использование длинноволнового крыла сантиметрового диапазона длин волн (5-7 см) для исследования зон атмосферных осадков с большой интенсивностью, в которых коротковолновые диапазоны (1.35 и 3 см) могут достигать эффекта насыщения (слабая зависимость выходного сигнала от изменения интенсивности атмосферных осадков) и препятствовать корректному определению интенсивности радиотеплового излучения кучевых облаков, дающих интенсивные осадки;

- разработан метод микроволнового радиометрического зондирования кучевой облачности, основанный на использовании многочастотного метода

поляриметрических угломестных разрезов с компенсацией уровня изменяющегося фонового излучения;

- реализована многочастотная двухмодовая поляриметрическая антенная система с компенсацией фонового излучения окружающего пространства, предназначенная для исследования радиотеплового излучения конвективной облачности в трех диапазонах длин волн (1.35 см, 3.2 см, 7.5 см) на двух линейных ортогональных поляризациях и каналом компенсации влияния изменения фонового излучения на результаты радиометрический исследований облачной атмосферы;

- реализована на практике многодиапазонная микроволновая радиометрическая система дистанционного контроля пространственной структуры конвективной облачности, и экспериментально доказана принципиальная возможность оперативного обнаружения опасных метеоявлений, которые могут возникнуть в процессе эволюции мощной конвективной облачности.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- производить дистанционные микроволновые исследования интенсивности радиотеплового излучения мощной конвективной облачности с последующим прогнозом развития опасных метеорологических явлений;

- осуществлять аппаратную компенсацию воздействия внешних фоновых помеховых излучений на результаты микроволновых радиометрических исследований облачной атмосферы с осадками;

- повысить точность микроволновых радиометрических исследований облачной атмосферы и расширить функциональные возможности систем дистанционного зондирования пространственной структуры конвективных облаков на разных стадиях их развития.

Реализация результатов работы. Исследования и практические разработки, приведенные в диссертационной работе, являются частью научно -исследовательских работ, выполненных в рамках гранта Президента РФ по

поддержке молодых российских учёных и ведущих научных школ Российской Федерации код НШ-1793.2003.5 (2004-2005 гг.), а также грантов РФФИ №12-02-97520 - рцентра «Радиофизическое исследование интегральных параметров атмосферы с помощью трехканальной СВЧ - радиометрической системы дистанционного зондирования» (2012-2013 гг.), №14-02-97507 - р центр а «Исследование способа построения мобильного метеокомплекса сверхкраткосрочного прогноза развития опасных метеоявлений и наукастинга в промышленно развитом регионе» (2014-2015 гг.) и №14-02-97510 - р центр а «Исследование эффективности применения двухканальных СВЧ радиометрических методов с компенсацией фонового шума в задачах построения пространственных профилей водности облачной атмосферы, оценки прогноза временных трендов их развития и предупреждения ливневых и градовых явлений» (2014-2016 гг.).

Результаты исследований и их практической отработки были внедрены в Российском гидрометеорологическом государственном университете г. Санкт -Петербург, на АО «Муромский завод радиоизмерительных приборов» и в учебном процессе Муромского института Владимирского государственного университета.

Личный вклад автора.

Автору, совместно с научным консультантом, принадлежит основная идея работы, постановка задач исследования, лично автором предложены способы решения поставленных задач, сформулированы требования к микроволновому измерительному комплексу, непосредственному участию в его создании, в разработке методик калибровок и наблюдений, в проведении экспериментальных исследований атмосферы, в обработке и анализе полученных данных.

Экспериментальные исследования радиотеплового излучения облачной атмосферы были проведены в районе г. Мурома в различные сезоны 2015 - 2018 гг. с помощью, разработанной при непосредственном участии автора многочастной микроволновой радиометрической измерительной аппаратуры.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью аналитических и численных методов исследования, большим массивом информационной базы, в качестве которой послужили сведения, опубликованные в периодических научных журналах и научной литературе, а также многочисленные экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения данной работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: I и II Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 2001, Санкт - Петербург, 2004); III Всероссийская конференция «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 2002); I - V Всероссийская научная конференция -семинар «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2003, 2006, 2010, 2013, 2015); XVI Международная Крымская конференция «СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2006); XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» РРВ - 22 г. (Ростов-на-Дону, 2008); XV Международная научно - техническая конференция «Информационные системы и технологии ИСТ-2009» (Нижний - Новгород, 2009); IV - VII Всероссийская научная конференция «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2009, 2012, 2014, 2016); I, II Всероссийская научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» (Муром, 2017, 2018); II, III Всероссийская научно-практическая конференция «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы». (Муром, 2010, 2015); II - V Всероссийская научная конференция «Проблемы военно - прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» (Санкт - Петербург, 2012, 2014, 2016, 2018); XXVIII - XXX Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред» (Санкт - Петербург, 2013, 2015, 2017); XI Международная IEEE - Сибирская конференция по управлению и связи «СИБКОН - 2015» (Омск, 2015); XXV

Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» РРВ - 25 (Томск, 2016); Научно-техническая конференция для специалистов организаций, входящих в АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» «Математическое моделирование и инженерные расчеты» (Москва, 2016); XXV, XXVI Всероссийская межведомственная военно-научная конференция «Развитие теории и практики применения войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации в современных условиях» ВА ВПВО ВС РФ (Смоленск, 2017, 2018); ежегодные научно - технические конференции Муромского института Владимирского государственного университета (2001 - 2018).

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий по следующим пунктам:

1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (предложен многочастотный микроволновый радиометрический метод дистанционного обнаружения и контроля опасных атмосферных метеоявлений, устойчивый к изменяющимся условиям измерений).

2. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» (учет и компенсация изменяющегося влияния фонового излучения окружающего пространства на результаты угломестного дистанционного контроля облачной атмосферы, позволит улучшить пространственное разрешение антенных систем микроволновых радиометрических систем).

3. «Разработка методического, технического, приборного и информационного обеспечения для локальных, региональных и глобальных систем экологического мониторинга природных и техногенных объектов» (предложена функциональная структура мобильного метеорологического комплекса предназначенного для решения задач регионального

сверхкраткосрочного прогноза развития опасных и неблагоприятных метеоявлений и наукастинга в промышленно развитом регионе).

4. «Разработка метрологического обеспечения приборов и средств контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, оптимизация метрологических характеристик приборов» (предложен метод комплексной калибровки многочастотной микроволновой радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов окружающего пространства по внешнему широкодиапазонному источнику тестового шумового сигнала).

5. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» (разработана система сбора, обработки и визуализации данных измерений многочастотной микроволновой радиометрической системы).

На защиту выносится совокупность научных положений, теоретических и экспериментальных результатов по разработке многодиапазонного метода повышения точности микроволнового радиометрического контроля пространственной структуры конвективной облачности, устойчивого к изменяющимся условиям измерений, а именно:

1. Результаты определения оптимальных частотных диапазонов дистанционного микроволнового радиометрического контроля облаков и осадков.

2. Результаты оценки влияния фонового излучения облачной атмосферы и подстилающей поверхности на результаты микроволнового радиометрического контроля атмосферы и методы компенсации данного влияния.

3. Много диапазонный микроволновый радиометрический метод обнаружения конвективных облаков и контроля стадий их развития, устойчивый к недетерминированному изменению фонового излучения окружающего пространства.

4. Способ формирования диаграммы направленности дополнительного антенного канала компенсации влияния фонового излучения, реализованный в

многоканальном двухмодовом облучателе зеркальной антенны микроволновой радиометрической системы.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований основных технических параметров и направленных свойств многочастотного микроволнового двухмодового облучателя.

6. Варианты практической реализации много диапазонного микроволнового радиометрического метода дистанционного контроля опасных атмосферных гидрометеорологических явлений, устойчивого к изменяющимся условиям измерений.

7. Результаты экспериментальных исследований предложенного метода в различные сезоны года в условиях воздействия неблагоприятных гидрометеорологических явлений.

8. Практические предложения по использованию предлагаемого многодиапазонного микроволнового радиометрического метода дистанционного контроля состояния атмосферы с целью повышения точности выдачи предупреждений о возникновении и развитии опасных гидрометеорологических явлений.

Публикация и апробация результатов работы

По теме диссертации автором опубликовано 75 научных работ: 20 в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК; 4 в зарубежных изданиях, входящих в базы данных Web of Science и Scopus; 1 патент на изобретение и 2 патента на полезную модель.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы 118 наименований. Общий объем диссертации 311 страниц сквозной нумерации. Диссертация содержит 132 рисунка, 60 таблиц.

В первой главе диссертации рассмотрены основные особенности и закономерности дистанционных микроволновых радиометрических методов дистанционного контроля облачной атмосферы, связанные с определением

водозапаса облаков и оценкой интенсивности выпадающих из них атмосферных осадков.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Ростокин Илья Николаевич, 2018 год

- —

I

а) б)

Рисунок 3.3.4.2 - Коэффициенты передачи основных каналов (а - для диапазона 3.5 ГГц, б - для диапазона 11 ГГц) модового разделителя

И»згагт***г [н»дпь*)е п Л]

/"""""Чг'Л .

1 \ ;

1 Т \ 1

1

У '

1

а) б)

Рисунок 3.3.4.3 - Коэффициенты передачи дополнительных каналов (а - для диапазона 3.5 ГГц, б - для диапазона 11 П ц) модового разделителя

Полученные частотные зависимости показывают наличие существенных потерь сигнала частоты 11 ГГц в первой части модового разделителя предназначенного для формирования сигналов на частоте 3.5 ГГц. Частотная развязка между каналами в среднем характеризуется величиной -5 дБ, т.е. половина входной мощности в диапазоне 11 ГГц теряется на выходах 2 и 3. Поэтому было принято решение о необходимости введения в состав модового разделителя двухканальной двухдиапазонной антенны устройств частотной селекции.

3.3.5 Характеристики двухдиапазонного модового разделителя с устройствами частотной селекции

Устройство частотной селекции должно обеспечивать изоляцию выходов 2 и 3 модового разделителя на частоте 11 ГГц. Поэтому был рассмотрен вариант волноводного фильтра нижних частот. Чтобы избежать существенного усложнения конструкции и внесения большого числа дополнительных неоднородностей был выполнен двухзвенный фильтр низких частот на рифленом волноводе. Модель фильтра, экспериментальный макет и его частотная функция передачи представлена на рисунке 3.3.5.1.

а) б)

Ылпйг [НцпЬкк г«] — «Л

В)

Рисунок 3.3.5.1 - Модель волноводного фильтра (а), экспериментальный макет б)

и его частотная функция передачи (в)

В модовом разделителе на выходы 2 и 3 были установлены волноводные полосовые фильтры. Модель модового разделителя с фильтрами и его частотные характеристики коэффициентов передачи для основных и дополнительных каналов представлены на рисунках 3.3.5.2 - 3.3.5.4.

Рисунок 3.3.5.2 - Модель модового разделителя с полосовыми фильтрами

а) б)

Рисунок 3.3.5.3 - Коэффициенты передачи основных каналов (а - для диапазона 3.5 ГГц, б - для диапазона 11 ГГц) модового разделителя с полосовыми

фильтрами

!4>«ма lM.ert.jdt и я] —55(1).10) Митю (ЯарЫ» г Л] -55<1)ДИ)

а) б)

Рисунок 3.3.5.4 - Коэффициенты передачи дополнительных каналов (а - для диапазона 3.5 ГГц, б - для диапазона 11 ГГц) модового разделителя с полосовыми

фильтрами

З-Раютдеег [Иэдпсийе г (К]

5-Ря«че1я (МмрИийе п йВ]

12

Ршдосу I СИг

11 и

Недиепсу / ОНг

Согласно данным моделирования модового разделителя установка полосовых фильтров позволила уменьшить коэффициенты передачи на выходах 2 и 3 на частотах 11 ГГц до значений -20 дБ. При этом коэффициент передачи канала 4 на частоте 11 ГГц увеличился, со значения без фильтра -10 дБ с фильтром -3 дБ.

3.3.6 Результаты экспериментальных исследований двухдиапазонного модового разделителя

Для экспериментальной оценки условий реализации двухдиапазонного приема радиошумового излучения двухканальной антенной с общей апертурой были проведены исследования характеристик двухдиапазонной микроволновой радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов при формировании на входе модового разделителя шумового сигнала от генератора шума.

На рисунках 3.3.6.1 и 3.3.6.2 показаны результаты измерений выходного сигнала системы на частотах 3.5 ГГц и 11 ГГц при наличии и отсутствии частотных фильтров на выходах модового разделителя.

Генератор шумавыключен Г енератор шума включен

ОСН 11ГТЦ

ДОППГТ'ц

ОСН 3,5 ГГц

—^ ДОН 3,5 ГГц

- -

-|-т-1-т-1-т-1-1—1-1-I-1-1-1-т-1-т-1-

6:18:40 &1к20 6:20:00 6:20:40 6:21:20

Время

Рисунок 3.3.6.1 - Временные записи сигналов на выходах модового разделителя при наличии частотных фильтров на выходах

Генератор шума вы сточен Генерато р шума вкг почен

ОСН 11 ГГц

Дбп ШТц

ДОП 3.5 ГТц

\ ..............;........

—I—I—|—I—|—I—|—■—I—|—I—|—I—|—I—|—

6:39:00 6:39:20 6:39:40 6:40:00 6:40:20 6:40:40 6:41:00 6:4120

Время

Рисунок 3.3.6.2 - Временные записи сигналов на выходах модового разделителя при отсутствии частотных фильтров на выходах

Полученные результаты показали положительный прирост уровня выходного сигнала на выходах модового разделителя в диапазоне 11 ГГц при наличии частотных фильтров на 20 %. отмечено также снижение уровня сигнала на выходах модового разделителя на частотах 3,5 ГГц, что может быть обусловлено неточностью решения задачи согласования выходов с фильтрами с основным круглым волноводом и применением в экспериментальных исследованиях устройства введения в круглый волновод сигналов одной линейной -вертикальной поляризации от генератора шума, что ограничивает общность результатов эксперимента.

Проведенные исследования показали возможность общей конструктивной реализации последовательного соединения двух модовых разделителей на диапазоны 3.5 ГГц и 11 ГГц при дополнительной установке в выходные каналы диапазона 3.5 ГГц частотных фильтров. Результаты моделирования подтвердили принципиальную возможность построения двухканальной антенны двух диапазонной микроволновой радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов при соосном приеме в двух частотных диапазонах, что является важной предпосылкой создания двух диапазонной системы с общим зеркалом антенны для обоих частотных диапазонов.

3.4 Реализация стационарного и мобильного варианта многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля метеообразований

В ходе выполнения экспериментальных исследований были проведены работы по монтажу и вводу в эксплуатацию стационарного варианта микроволнового радиометрического метеокомплекса контроля облачной атмосферы, расположенного на базе университета, в состав комплекса входят: полноповоротная зеркальная антенна диаметром 2400 мм; многочастотная микроволновая радиометрическая система дистанционного зондирования облачной атмосферы с компенсацией фонового излучения, предназначенная для оперативного контроля состояния влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков; профессиональная метеостанция, предназначенная для беспроводного контроля температуры и влажности как внешнего, так и внутреннего воздуха, атмосферного давления, направления и скорости ветра, интенсивности осадков и оперативного построения прогноза погоды и передачи метеоданных на управляющий компьютер.

С целью экспериментального исследования предлагаемого многочастотного микроволнового радиометрического метода обнаружения конвективных облаков и контроля интенсивности осадков на базе Муромского института была реализована многоканальная микроволновая радиометрическая система, внешний вид которой представлен на рисунке 3.4.1.

Основой антенной системы является полноповоротная зеркальная прямофокусная антенна диаметром 2400 мм, в фокусе которой установлен многоканальный двухмодовый облучатель, конструкция которого без метеозащиты представлена на рисунке 3.4.2.

Рисунок 3.4.1 - Позиция многоканальной микроволновой радиометрической системы на крыше главного корпуса МИВлГУ: 1- прямофокусное зеркало диаметром 2400 мм; 2 - многоканальный двухмодовый облучатель, со снятой метеозащитой; 3 - многочастотный волноводный микроволновый калибратор; 4 -угломестный привод; 5 - азимутальный привод.

Рисунок 3.4.2 - Внешний вид многоканального двухмодового облучателя со снятой метеозащитой, установленного в фокусе зеркальной антенны диаметром 2400 мм: 1.1 - канал 7.5 см вертикальной поляризации; 1.2 - канал 7.5 см горизонтальной поляризации; 1.3 - дополнительный канал 7.5 см компенсации; 2.1 - канал 3.2 см вертикальной поляризации; 2.2 - канал 3.2 см горизонтальной поляризации; 2.3 - дополнительный канал 3.2 см компенсации; 3.1 канал 1.35 см горизонтальной поляризации.

Опыт эксплуатации стационарного варианта микроволнового радиометрического метеокомплекса контроля облачной атмосферы показал, что в ряде случаев особенно актуальны наблюдения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков с помощью мобильных микроволновых радиометрических метеокомплексов, размещенных или перемещаемых в направлении преимущественного переноса воздушных масс, с целью определения положения атмосферных фронтов, что привело к необходимости создания мобильного варианта многочастотного микроволнового радиометрического комплекса контроля облачной атмосферы, размещенного на базе полноприводного

автомобиля повышенной проходимости, вариант которого представлен на рисунках 3.4.3 и 3.4.4.

технической реализации

Рисунок 3.4.4 - Внешний вид многоканального двухмодового облучателя без метеозащиты, установленного в фокусе зеркальной антенны диаметром 1000 мм.

3.5 Система сбора и обработки данных многочастотной микроволновой радиометрической системы

При проведении многочастотных микроволновых исследований атмосферы необходимо регистрировать и обрабатывать большое количество данных получаемых в процессе измерений, при этом остро встает задача построения системы сбора и обработки данных основанной на применении современных средств обработки информации.

Предлагаемая система сбора и обработки данных многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля состояния метеообразований с компенсацией фоновых шумов, позволяет выполнять автоматическую обработку радиометрических данных путем перехода от аналоговой к цифровой форме решения задач компенсации влияния фонового излучения с выходом на уровень программой реализации.

В процессе использования данной системы сбора и обработки информации формируется база данных многочастотных микроволновых каналов (1.35 см, 3.2 см, 7.5 см), причем по каждому частотному каналу принимаются три сигнала, два сигнала основного измерительного канала на двух поляризациях (горизонтальная и вертикальная) при преимущественном приеме радиошумового излучения из области главного лепестка диаграммы направленности антенны и дополнительного сигнала компенсации на дополнительном антенном выходе при приеме сигнала из угловой области соответствующей области рассеяния диаграммы направленности основного антенного канала с последующей возможностью реализации программной процедуры дифференциально-разностных алгоритмов компенсации фоновых излучений.

3.5.1 Основные задачи системы сбора и обработки данных

Для многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля состояния метеообразований была разработана система сбора и обработки данных, с помощью которой решаются следующие задачи [57]:

оценка интенсивности радиотеплового излучения атмосферы по среднеквадратической величине шумов принимаемых сигналов;

оцифровка данных измерений получаемых от многочастотной микроволновой радиометрической системы;

- экспорт получаемых данных в файлы различных форматов, для последующей обработки и решения обратных задач;

- программная реализация процедуры обработки данных предусмотренной алгоритмом нахождения разности компенсации фоновых шумов;

- перевод уровня выходных сигналов измерительной системы в величины радиояркостных температур;

- реализация модели оценки метеорологических параметров атмосферы по результатам дистанционных многочастотных микроволновых радиометрических измерений.

3.5.2 Функциональная структура системы сбора и обработки данных многочастотной микроволновой радиометрической

Радиотепловое излучение атмосферы с помощью антенной системы преобразуется в антенную температуру, к выходам антенной системы подключены микроволновые радиометры трех диапазонов длин волн (1.35 см, 3.2 см, 7.5 см), работающие на двух поляризациях основного измерительного канала (ОСН-ВЕРТ, ОСН-ДОП) при преимущественном приеме радиошумового излучения из области главного лепестка диаграммы направленности антенны и дополнительного сигнала компенсации на дополнительном антенном выходе (ДОП) при приеме из угловой области соответствующей области рассеяния диаграммы направленности основного антенного канала [56, 57].

После необходимого усиления принятого сигнала (порядка 60 дБ) на высокой частоте (4 ГГц, 10 ГГц, 22 ГГц) каждого микроволнового измерительного канала и преобразования на промежуточную частоту (порядка 1 ГГц) сигналы с выходов микроволновых радиометров поступают на входы системы сбора и обработки данных (рисунок 3.5.2.1).

Рисунок 3.5.2.1 - Система сбора и обработки данных применяемая в

многочастотной микроволновой радиометрической системе: КД -многоканальный квадратичный детектор; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер с прикладным программным обеспечением; МЕТЕО - профессиональная метеостанция с цифровым выходом; ВИДЕО - система фото и видео фиксации состояния атмосферы.

Система сбора и обработки, данных многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля состояния метеообразований состоит из следующих основных функциональных частей:

- многоканальный квадратичный детектор (КД) (рисунок 4.6.2), позволяет одновременно преобразовать мощность каждого микроволнового измерительного канала 0*1®) ••• Рч(0) в уровни постоянного напряжения (и|(1) ... достаточные для последующей оцифровки;

а) внешний вид б) плата детекторов

Рисунок 3.5.2.2 - Многоканальный квадратичный детектор.

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (рисунок 3.5.2.3), предназначен для оцифровки, хранения и экспорта получаемых данных в файлы различных форматов *.С8У, *.сЫ:а); АЦП имеет следующие основные характеристики:

32 канала аналогового ввода; разрешение 12 бит; регулируемый коэффициент усиления 1, 10, 100, 200; диапазон входного сигнала +10 В; ±1 В; ±0.1 В; ±0.05 В; подключение к ЦБВ-порту персонального компьютера или ноутбука;

а) внешний вид б) плата преобразователя

Рисунок 3.5.2.3 - Аналого-цифровой преобразователь.

профессиональная метеостанция (METEO) (рисунок 3.5.2.4), предназначенная для сбора и отображения основных метеорологических параметров на позиции многочастотной микроволновой радиометрической системы: внутренней и внешней температуры воздуха, внутренней и внешней влажности, количества осадков, скорости и направления ветра, атмосферного давления, измеренные данные наружных датчиков передаются на метеостанцию по беспроводной технологии на частоте 868 МГц; на основе использования внутреннего датчика давления воздуха и регистрации изменения давления, рассчитывается прогноз погоды на следующие сутки; диапазон измеряемых параметров: внутренняя температура 0...+50 °С, наружная температура -40...+65 °С, внутренняя влажность воздуха 10...90 %, влажность наружного воздуха 10...90 %, атмосферное давление 300...1100 гПа, разрешение атмосферного давления 0.1 гГГа, скорость ветра 0...160 км/ч, уровень осадков 0...9999 мм, разрешение 1 мм, разрешение влажности 1 %, разрешение температуры 0.1 °С;

а) внешние датчики б) цифровой блок

Рисунок 3.5.2.4 - Цифровая метеостанция.

- система видеонаблюдения (ВИДЕО), предназначена для визуального контроля состояния атмосферы в осевом направлении визирования микроволновой радиометрической системы, а также оперативного визуального контроля работоспособности основных электромеханических приводов микроволновой радиометрической системы, система состоит из двух камер высокой четкости и производит непрерывную запись видео, аудио и фото материалов в реальном времени на управляющий компьютер, угол обзора объектива камер 170° (F=2.5, f=2.3mm) (х2), качество видео 2х Full HD 1080р (1920x1080) @ 30fps, 2х HD 720р (1280x720) @ 30fps, формат записи MPEG4, коммутация с компьютером HDMI или USB 2.0;

- переносной персональный компьютер (ПК) (рисунок 3.6.5), предназначен для визуализации, хранения, обработки и передачи получаемой информации от микроволновой радиометрической системы, системные требования к управляющему компьютеру определяются используемым программным обеспечением и объемом получаемых данных, минимальные требования к операционной системе: наличие USB-порта не ниже 2.0; процессор - не ниже Celeron 600 МГц; оперативная память - не менее 256 Мб; объём жёсткого диска определяет продолжительность записи (не менее 10 Гб); операционная система -не ниже Windows 2000; на компьютер устанавливается программа регистрации данных радиометрических измерений, которая обеспечивает предварительную подготовку к измерениям, проведение измерений, поддержание базы данных с результатами измерений, визуализацию и просмотр результатов в виде графиков, документирование и экспорт данных измерений, возможность распечатки результатов измерений.

3.5.3 Функционирование системы сбора данных

Функционирование системы сбора данных в составе многочастотной микроволновой радиометрической начинается с подачи на входы АЦП сигналов от многоканального квадратичного детектора и подключения АЦП к USB-порту персонального компьютера.

После запуска программы регистрации устанавливаются параметры сбора данных (рисунок 3.5.3.1 а) и задается диапазон изменения входного напряжения (рисунок 3.5.3.1 б).

Нкгрсйси Конфнгур«*Ш

* Обида«

* Обои«

* Ншши«

Чвстчч 10 Га

1 Гц 50«еГц

Групповые сгчми»' йг^а примани цр

№икчпьйсйф1

Уставами» удал»«

а) выбор параметров сбора данных

б) выбор диапазона измерений

Рисунок 3.5.3.1 - Этапы предварительной настройки системы сбора данных.

После проведения предварительных настроек система сбора данных готова к выполнению измерений. Пример варианта формы визуализации данных многочастотных микроволновых радиометрических измерений представлен на рисунке 3.5.3.2.

Рисунок 3.5.3.2 - Форма визуализации радиометрических данных.

3.5.4 Программа обработки данных многочастотных микроволновых измерений

Программа предназначена для обработки и анализа данных получаемых в процессе многочастотных поляризационных микроволновых исследований атмосферы. Пользовательский интерфейс программы представлен на рисунке 3.5.4.1.

Рисунок 3.5.4.1 - Процедура калибровки выходной шкалы.

Вкладка «Калибровка шкалы» меню «Настройки» позволяет откалибровать вертикальную ось графика в следующих величинах (температура, напряжение, децибелы, единичная) последние две величины используются при исследовании направленных свойств (диаграмм направленности) антенной системы многочастотной микроволновой радиометрической системы.

Вкладка «Настройка графика» позволяет пользователю задать название графика и подписи всех его осей (рисунок 3.5.4.2), а также настроить отображение измерительных шкал графика, свойств легенды и курсора графика.

Настройки Операции

. V ; * i х л

Настройка графика

Подписывали« 20.03.2016 г. Подпись оси X Время, чч;мгу Подпись

Радиояркостная температура.

График

Отображать настраеваемую шкалу | Слева Щ Отображать шкалу напряжения | Справа

Отображать шкалу времени □ Отображать сырую шкалу 0 Отображать легенду П Отображать курсор

Настройка Л1

(приш

Настрой

ММ

3.2 см ОСИ BÉPT

Название Толщина линии

Цвет линии [3 Отображать Л1

3,2 см ОСНВЕРТ

" 13:№0о"

I. При Мб

15:00:00 I, чч:мм:сс

--- 3,2 с ООН ВЕРТ

" 7,5 с ОСИ

3,2 с ОСИ ГОР

1,35 м ОСН ГОР

-0,03 ■0,02 ■0,01

Рисунок 3.5.4.2 - Процедура настройки графика.

Вкладка «Настройка линий» позволяет для каждого измерительного канала задать название, толщину, тип и цвет отображаемой линий.

В окне легенды графика, располагаемом в правом верхнем углу окна программы, отображается цвет, тип и название измерительных каналов.

Вкладка «Математические операции» (рисунок 3.5.4.3) позволяет производить основные математические операции (сложение, вычитание, умножение и деление) между измерительными каналами, а также между любым измерительным каналом и числовыми значениями коэффициентов регрессии при решении обратных задач.

«г о„< ш_, __ _,_. _^^^НШ" а I

Файл Настройки Операции

Г.-Ь, 4йХ Л

20.03.2016 г.

Рисунок 3.5.4.3 - Выполнение математических операций

Для проведения программной процедуры компенсации влияния фонового излучения необходимо выполнить операцию вычитания сигнала ДОП - канала каждого частотного диапазона из сигналов ОСН - каналов ВЕРТ и ГОР поляризации соответствующего частотного диапазона, пример данной операции представлен на рисунках 3.5.4.4-3.5.4.5.

i? Результирующий график

Настройки Операции

* 5 X Л

т

г я Г"й~ в о

Рисунок 3.5.4.4 - Процедура компенсации (ОСН - ДОП)

Процедура нахождения поляризационного контраста между каналом ОСН ГОР 3 см и ОСН ВЕРТ 3 см представлена на рисунке 3.5.4.5.

е? Результирующий график

I в l-a.li | I

Настройки Операции

"5X1 Л

т

гв~, я РЕ^ о

Рисунок 3.5.4.5 - Процедура нахождения поляризационного контраста

(ОСН ВЕРТ - ОСН ГОР)

Программа обработки данных позволяет выполнять экспорт результатов математической обработки данных многочастной микроволновой радиометрической системы во внешние приложения в виде графиков, представленных на рисунке 3.5.4.6.

20.03.2016 г.

Рисунок 3.5.4.6 - Экспорт результатов во внешние приложения

Применение данной системы позволило осуществить регистрацию данных как микроволновых каналов измерения интенсивности радиотеплового излучения атмосферы во всех рабочих частотных диапазонах, так и основных метеорологических параметров на позиции установки радиометрической системы. Одновременно система сбора позволяет регистрировать информацию о состоянии атмосферы в видимом участке спектра. Экспорт получаемых экспериментальных данных во внешние математические приложения позволяет оперативно производить решение обратных многопараметрических задач микроволновой радиометрии атмосферы.

В данной системе применена отдельная независимая регистрация всех измерительных микроволновых каналов, что позволяет оценить влияние помехового фонового излучения непосредственно в процессе измерения, а также произвести процедуру компенсации влияния фоновых шумов по желанию наблюдателя в постобработке данных в соответствии, с алгоритмом подробно изложенном в работах [16-18].

Выводы по главе 3

3.1 Реализация в антенне трехдиапазонной микроволновой радиометрической системы трехканального приема по двум основным измерительным (на вертикальной и горизонтальной поляризациях) и дополнительному каналу на общее зеркало антенны определяет условия компенсации влияния фоновых шумов на результаты измерений с возможностью оценки поляризационных контрастов.

При абсолютном выполнении требований к поляризационной развязке каналов и к направленным свойствам дополнительного антенного канала в выходных сигналах радиометрической системы отсутствуют составляющие, обусловленные собственными шумами радиометра и приемом фонового шума через область рассеяния ДН антенны.

Измерение поляризационных характеристик радиотеплового излучения гидрометеоров составляет основу дистанционного определения интенсивности осадков, параметров распределения капель дождя по размерам, параметров пространственной структуры дождя.

3.2 Антенный облучатель работает следующим образом. Широкополосный или шумовой сигнал, подается в круглый волновод, в котором возбуждаются волны Ни и Е01, в трансформаторе типов волн Нц—»Ню, представляющим собой перпендикулярное подключение прямоугольного волновода, к боковой стенке круглого волновода, в которой имеется прямоугольное окно, широкая стенка которого параллельна оси круглого волновода и размеры которого ограничены размерами поперечного сечения подключенного волновода, осуществляется ответвление энергии, переносимой волной Ни и подача ее на выход второго плеча.

Результаты экспериментальных исследований направленных свойств двухмодового облучателя показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, что подтвердило возможность реализации требуемых характеристик направленности для формирования сигналов компенсации

адекватных помеховым составляющим входных сигналов системы в трех указанных частотных диапазонах.

3.3 В соответствии с геометрическими размерами антенного устройства, определенными из условий его функционирования в двухмодовом режиме, была построена модель в программе Micro Wave Studio для оценки условий прохождения входных сигналов в трех последовательных секциях.

По результатам анализа спектральных свойств радиошумового излучения атмосферы выделены оптимальные частотные диапазоны микроволновых радиометрических исследований и определены три частотных диапазона 4 ГГц, 10 ГГц и 22 ГГц для реализации радиометрической системы дистанционного зондирования облачной атмосферы.

3.4 С целью экспериментального исследования предлагаемого многочастотного микроволнового радиометрического метода обнаружения конвективных облаков и контроля интенсивности осадков на базе Муромского института был реализован стационарный вариант многоканальной микроволновая радиометрическая система с компенсацией фонового излучения.

Опыт эксплуатации стационарного варианта микроволнового радиометрического метеокомплекса контроля облачной атмосферы показал, что в ряде случаев особенно актуальны наблюдения влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков с помощью мобильных микроволновых радиометрических метеокомплексов, размещенных или перемещаемых в направлении преимущественного переноса воздушных масс, с целью определения положения атмосферных фронтов, что привело к необходимости создания мобильного варианта многочастотного микроволнового радиометрического комплекса контроля облачной атмосферы.

3.5 Для многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля состояния метеообразований была разработана система сбора и обработки данных, с помощью которой решаются следующие задачи:

оценка интенсивности радиотеплового излучения атмосферы по среднеквадратической величине шумов принимаемых сигналов;

оцифровка данных измерений получаемых от многочастотной микроволновой радиометрической системы;

- экспорт получаемых данных в файлы различных форматов, для последующей обработки и решения обратных задач;

- программная реализация процедуры обработки данных предусмотренной алгоритмом нахождения разности компенсации фоновых шумов;

- перевод уровня выходных сигналов измерительной системы в величины радиояркостных температур;

- реализация модели оценки метеорологических параметров атмосферы по результатам дистанционных многочастотных микроволновых радиометрических измерений.

Глава 4 Экспериментальные исследования многочастотной микроволновой радиометрической системы контроля метеообразований

В данной главе проведено комплексное исследование радиотеплового излучения облачной атмосферы в различные периоды года, с целью выявления основных принципов классификации облачных образований по их радиотепловому излучению, получаемому на трех длинах волн (7.5 см, 3.2 см, 1.35 см), с привлечением данных получаемых от автоматизированной метеостанции установленной на позиции многочастотной микроволновой радиометрической системы, необходимых для оценки метеопараметров и интенсивности выпадающих осадков в месте установки измерительной системы; данных активного метеорологического радиолокатора, позволяющих прослеживать характер развития и перемещения облачности, в районе исследований; а также средств видеофиксации состояния облачности в направлении визирования.

В первом разделе представлены результаты практических исследований направленных свойств антенной системы многочастотной микроволновой радиометрической системы, заключающиеся в измерении экспериментальных диаграмм направленности многочастотной двухмодовой антенной системы по основному измерительному каналу на двух линейных поляризациях (вертикальная и горизонтальная) и дополнительному измерительному каналу с преимущественным приемом фонового излучения приходящего по боковым лепесткам, измерения направленных свойств проводились в дальней зоне антенной системы в условиях открытого полигона, в качестве источников квазитеплового излучения использовались полупроводниковые генераторы шума соответствующих частотных диапазонов, а также естественные источники радиотеплового излучения (Солнце и Луна).

Во втором разделе проведено комплексное исследование радиотеплового излучения облачной атмосферы в холодный период года, с целью экспериментального подтверждения основных принципов классификации облачных образований и выпадающих из них гидрометеоров, по их

радиотепловому излучению, получаемому на трех (7.5 см, 3.2 см, 1.35 см) длинах волн, в условиях изменяющихся фоновых излучений, с привлечением данных получаемых от автоматизированной метеостанции, установленной на позиции многочастотной микроволновой радиометрической системы, радарных наблюдений за облачностью, получаемых от доплеровского метеорологического радиолокатора С - диапазона (ДМРЛ С), а также средств видеофиксации состояния небосвода в направлении зондирования.

В третьем разделе проведено комплексное исследование радиотеплового излучения облачной атмосферы в теплый период года, с целью экспериментальной проверки основных принципов обнаружения облаков и контроля интенсивности выпадающих из них жидких гидрометеоров, в условиях постоянно изменяющихся фоновых излучений, с привлечением данных получаемых от автоматизированной метеостанции, активных радарных наблюдений за облачностью, а также средств видеофиксации состояния небосвода в процессе измерений.

В четвертом разделе проведена статистическая обработка результатов микроволновых исследований интенсиности радиотеплового излучения облачной атмосферы в сложных метеорологических условиях.

4.1 Исследование направленных свойств антенного устройства многочастотной микроволновой радиометрической системы

4.1.1 Математическое моделирование ДН

4.1.1.1 Моделирование ДН антенны в синфазном режиме возбуждения

Произведем моделирование диаграммы направленности антенной системы в синфазном режиме возбуждения, как это сделано в работах [58-60].

Осуществление синфазно - противофазного распределения поля по раскрыву антенны, позволяет производить измерения при одном и том же положении осевого направления антенны, что существенно упрощает задачу поиска математических моделей ДН.

Для зеркальной антенны с облучателем, расположенным в фокусе и являющимся источником сферической волны, лучи, идущие от него, после отражения их от поверхности зеркала становятся параллельными, таким образом, сферическая волна облучателя преобразуется в плоскую (рисунок 4.1.1.1).

Основой математической модели диаграммы направленности поля излучения зеркальной антенны, построенной по апертурному методу, является апертурный интеграл.

Для круглой апертуры он будет иметь следующий вид

Рисунок 4.1.1.1 - Модель поля излучения антенны

Кр2ж

Гапер(6)=(\+со$6) \ ¡А^^е-^^^^КЛКЛу, (4.1.1.1)

о о

где Я, ср - полярные координаты плоскости раскрыва;

А(Я,ср) и Ф(Я,ср) - амплитудное и фазовое распределение поля по раскрыву;

Яр - радиус раскрыва зеркала.

На основе выражения (4.1.1.1) построим модели для основного входного канала, имеющего суммарную ДН, и для дополнительного канала, формирующего разностную ДН.

Входящее в интеграл (4.1.1.1) распределение в общем случае амплитуды и фазы по фронту отраженного поля А(х,у) и Ф0(л",>') или в полярных координатах

по плоскости раскрыва А(К,ср) и Ф0(Я,<р) связано с направленными свойствами

облучателя.

В геометрооптическом приближении можно считать, что зеркало находится в зоне Фраунгофера относительно поля облучателя, поэтому амплитуда лучей от фокуса до поверхности зеркала убывает обратно пропорционально расстоянию. Далее после отражения от зеркала поле приобретает локальную плоскую структуру, поэтому плотность энергии на пути от поверхности параболоида до излучающей апертуры не меняется.

Амплитудное распределение поля по раскрыву в полярных координатах запишется следующим выражением

А(Я) = ^(\|/)/ р = Я\|/Х со82 У2)! /, (4.1.1.2)

где р - текущее расстояние от фокуса до зеркала;

^((//) - ДН облучателя.

Фаза поля вдоль раскрыва не меняется, т.к. отраженное поле имеет плоский фронт. Тогда математическая модель зеркальной антенны с облучателем в фокусе в геометрооптическом приближении имеет следующий вид

^ / а

^(0) = (1 + со80) | | ^ , (4.1.1.3)

о о

или иначе

1

Д6>) = (1 + соз6>) { (соз2 (у//2))Др) ■ J0 (и ■ (4.1.1.4)

(4.1.1.4)

о

II = к- ЯрЪтв, Д' = Я/

где ^(Ц-Я') - функция Бесселя нулевого порядка.

Однако, в теории антенны принято задавать не диаграмму направленности облучателя Р(у/), а амплитудное распределение на фронте отраженного поля А(К) или, для данного типа антенны, по раскрыву.

Определим основные соотношения для облучателя с волной Ни и Е01. Согласно [2] для волны Ни в плоскости Е

(4.1.1.5)

где 2в=3770м, 2Я

Zc =--сопротивление в волноводе волне Ни,

где а - радиус волновода, к- волновое число (к=2л/Х), 6=0... ж,

- функция Бесселя первого порядка.

Для ВОЛНЫ Ни в плоскости Н

Г{в)=к-а• 1 + ^со8(б>)

к-а- тп(в) 1.841

1-

При численном моделировании были получены представленные на рисунках 4.1.1.2 и 4.1.1.3.

Р(Э)

(4.1.

следующие

0.2'

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

О

Рисунок 4.1.1.2 - Нормированная ДН волны Ни в плоскости Е

е

Рисунок 4.1.1.3 - Нормированная ДН волны Нц в плоскости Н

Применяя апертурный интеграл (4.1.1.4), найдем соотношение для диаграммы направленности зеркальной антенны при синфазном режиме приема

где Робл(Ч!) - ДН облучателя зеркальной антенны по углу Ч*, отсчитываемому от фокальной оси антенны в плоскости падения волны;

р - текущее расстояние от фокуса до поверхности зеркала; Я0 - радиус раскрыва зеркала;

J0 (х) - функция Бесселя нулевого порядка от аргумента х .

4.1.1.2 Моделирование ДН антенны в противофазном режиме возбуждения

Проведем моделирование ДН антенны в противофазном режиме приема. Используя известные соотношения [2] для волны типа Еоь формула расчета ДН в плоскости Е имеет вид

^синф

2 I Р Л Я ,

л

ЯМ

(4.1.1.7)

кк ■ а-

где 2с =----сопротивление в волноводе волне Еоь

(4.1.1.8)

т=0, п /-индексы, характеризующие типы волн, Ро1=2,405 - п-ый корень функции Jo (р).

В плоскости Н распределение волны Е01 равно нулю, полученная ДН в ходе численного моделирования представлена на рисунке 4.1.1.4.

Р(0)

Рисунок 4.1.1.4 - Нормированная ДН волны Е(

01

ДН апертурной антенны при противофазном режиме возбуждения в соответствии с (4.1.1.1) задается следующим образом

1 + со&0

Р (в) =

против \ /

Д0 Л" /7 /тт/\ 2Ш$>т6

о о Р

Ко 2л р .ЗлЯятб

Гобл\ 1

Р

Ка'Ка'ср

(4.1.1.9)

где ср - угол в полярной системе координат, привязанной к центру раскрыва зеркала.

Для оценки возможности использования антенны с синфазно-противофазным режимом возбуждения приемной апертуры в качестве антенны микроволновой радиометрической системы с компенсацией фонового излучения было проведено численное моделирование по формулам (4.1.1.7 и 4.1.1.9) [58].

Результаты численного моделирования представлены на рисунке 4.1.1.5.

т

0.9. 0.! 0.8. 0.! 0.7. 0 0.6. 0.< 0.5. 0.: 0.4 0.' 0.3. 0 0.2. о.: 0.1. 0. 0.0.

(

\

/ \

/

>

1

(

/

\ / ч N N

\ / \ \

\ / \

\ / 2 \ \

\ /

ч

ГА(в)

-60 "54 "48 "42 "36 "30 "24 "18 "12 "6 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

1

Щ .93 0.9 0.85 0.8 0,75 0.7 0.(5 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.(5 0

1

■)

]\1

\

/ \

/ \

_ \\

0 0.75 15 2.25 3 3 75 45 5.25 б 6 75 7.5 8.25 9 975 10511.25 12 12.7513.514.25 15

15

а)

б)

Рисунок 4.1.1.5 - Результаты математического моделирования ДН: а) ДН двухмодового облучателя: 1-для синфазного режима возбуждения раскрыва, 2 - для противофазного режима возбуждения раскрыва, нормированные по максимуму мощности излучения в синфазном режиме; б) ДН двухмодовой при синфазном (1) и противофазном (2) возбуждении зеркала, нормированные по уровню максимума излучения в синфазном режиме.

Результаты математического моделирования показывают что, направленные свойства антенны в противофазном режиме облучения зеркала отвечают требованиям адекватности с определенной степенью приближения, а кроме того прием излучения в области главного лепестка ДН антенны при противофазном возбуждении отличен от нуля. В связи с этим оценку эффективности выделения информационной составляющей антенной температуры системы с антенной с синфазно-противофазным возбуждением зеркала целесообразно производить по двум параметрам:

- величина потерь информационной составляющей антенной температуры

ЬТ1шф=(\-Рос„)пТгл-{1-Рооп)пТгл, (4.1.1.10)

погрешность компенсации помеховых составляющих антенной температуры радиометрической системы

^^пом Рносн бок .н бок.н + РипосЛТ

бок.из РизндопЛ^' бок.из

= д т +д т '(4ЛЛЛ1)

пом.н пом.из

где Росн и рдоп - коэффициенты рассеяния основного и дополнительного антенного каналов РМС;

Ыпом.н и Ыпом.из - погрешности компенсации помеховых составляющих антенной температуры, обусловленные приемом излучения окружающего пространства через неизотропную и изотропную часть области рассеяния соответственно.

Анализ полученных данных по ДН антенны радиометрической системы с синфазно-противофазным режимом возбуждения приемной апертуры позволил сделать следующие выводы:

- практически отсутствует прием излучения вдоль осевого направления в антенне с противофазным возбуждением (-50дБ), а в пределах угловой области прилежащей к осевому излучению устройства формирования входного сигнала основного измерительного канала, шириной 0=4°, что соответствует ширине главного лепестка ДН антенны с синфазным возбуждением зеркала, уровень угловой зависимости устройства формирования входного сигнала с противофазным режимом не превышает -5дБ. При формировании разностного сигнала потери информационной составляющей антенной температуры не превысят 0.078 от величины информационной составляющей антенной температуры;

- в угловой области рассеяния основного измерительного входного канала ДН антенны с противофазным возбуждением зеркала практически повторяет форму угловой зависимости зеркальной антенны с синфазным возбуждением. Так оценка суммарной погрешности компенсации помеховых составляющих антенной температуры для исследуемой антенны при изотропном фоновом излучении дала следующие результаты: средняя погрешность компенсации помеховой составляющей антенной температуры, обусловленной приемом излучения окружающего пространства через неизотропную часть области рассеяния угловой

зависимости устройства формирования входного сигнала оказалась равной 0.112 от фонового излучения в этой угловой области Тбок н, а погрешность компенсации

помеховой составляющей антенной температуры, обусловленной приемом излучения окружающего пространства через изотропную часть области ДН антенны оказалась равной 0.21 от фонового излучения в этой угловой области

Т

бок.из ?

- в разностной ДН антенной системы с синфазно-противофазным возбуждением зеркала наблюдается сужение угловой области главного лепестка по сравнению с шириной главного лепестка по нулям угловой зависимости основного измерительного канала. Так в рассматриваемом случае ширина угловой зависимости по нулям антенны с синфазным возбуждением зеркала равна 12°, а также ширина главного лепестка угловой зависимости разностного сигнала - 8°. Поэтому данная система может реализовать более высокую разрешающую способность, чем система с одним измерительным каналом.

При использовании исследуемой антенны с синфазно-противофазным возбуждением зеркала может быть обеспечена 10% погрешность компенсации помеховых составляющих, обусловленных приемом излучения антенной через изотропную часть области рассеяния и 15% погрешность компенсации помеховых составляющих, обусловленных приемом излучения через неизотропную часть области рассеяния антенной температуры радиометрической системы, при относительном уровне потерь информационной составляющей - 0.078. Для сравнения погрешность численной корректировки данных радиометрических измерений при условии неизменности и однородности фонового излучения составляет около 10% [9].

Таким образом, применение двухмодовой антенной системы в микроволновой радиометрической системе обеспечит выполнение операции компенсации влияния фонового излучения в рабочем диапазоне частот.

4.1.2 Экспериментальные исследования ДН по излучению Солнца

При использовании данного метода измерения ДН антенна остается неподвижной относительно поверхности Земли, тем самым исключаются возможные изменения уровня фонового излучения атмосферы и подстилающей поверхности, образующегося благодаря задним и боковым лепесткам ДН исследуемой антенны, а изменение уровня принимаемого излучения Солнца происходит благодаря вращению Земли вокруг Солнца.

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 О

0° 1° 2° 3° 4° 5° 6" 7° 8° 9° 10°

Рисунок 4.1.3.1 - Канал 7.5 см ДН по Солнцу от 23.03.2017 г. :

1 - волна Ни (ОСН - канал горизонтальной поляризации), 2 - волна Е01 (ДОП - канал), 3 - волна Ни (ОСН - канал вертикальной поляризации)

Рисунок 4.1.3.2 - Канал 3.2 см ДН по Солнцу от 23.03.2017 г. : 1 - волна Ни (ОСН - канал горизонтальной поляризации), 2 - волна Е01 (ДОП - канал), 3 - волна Ни (ОСН - канал вертикальной поляризации)

\ II 1 \ 1 \

1 \ 1 \ 1 V

! V 1 1 I \ 1 \

1 1 I 1

1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1

0° 0.2° 0.4° 0.6° 0.8° 1.0° 1.2° 1.4° 1.6° 1.8°

Рисунок 4.1.3.3 - Канал 1.35 см ДН по Солнцу от 23.03.2017 г. : 1 - волна Ни (ОСН - канал горизонтальной поляризации)