Оцінка параметрів метеорної зони атмосфери фазовими радіотехнічними системами - Автореферат

Однією із причин нестійкості результатів вимірів щільності атмосфери є недосконалість теоретичних моделей, що лежать в основі алгоритмів обробки інформації в МРЛС - обробки амплітудно-часової характеристики (АЧХ) сигналу, відбитого від метеорного сліду. У дисертаційній роботі розглядаються питання, повязані з вирішенням актуальної науково-прикладної задачі щодо вдосконалення МРЛС з метою підвищення точності вимірювання просторового положення (кутових координат) відбиваючої точки метеорного сліду фазовим методом, підвищення стабільності точнісних характеристик МРЛС протягом часу і вдосконалювання методів обробки інформації з метою підвищення точності виміру індивідуальних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності визначення параметрів верхньої атмосфери методом радіолокації метеорних слідів, виявлення факторів впливають на точнісні характеристики МРЛС і неврахованих у класичній методиці обробки сигналів, відбитих від метеорних слідів. методи математичної статистики для обробки результатів натурних експериментів, що дали можливість отримати експериментальні залежності коефіцієнта амбіполярної дифузії від висоти й кута місця, висотно-часові залежності (під час існування метеорного сліду) коефіцієнта амбіполярної дифузії за результатами одночасних вимірів, виконаних на двох частотах. методи імітаційного моделювання сигналів, відбитих від метеорних слідів, які дали можливість отримати висотно-часову залежність коефіцієнта амбіполярної дифузії за теоретичним значенням коефіцієнтів зворотного розсіювання електромагнітної хвилі, оцінити ступінь впливу Фарадеєвського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондувального імпульсу на вимірювані значення коефіцієнта амбіполярної дифузії.У радіометеорному методі визначення тиску, температури і щільності атмосфери в метеорній зоні робиться на основі виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії. У МРЛС SKIYMET реалізована класична методика виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії за швидкістю загасання сигналу, відбитого від ненасиченого метеорного сліду: , де Da - коефіцієнт амбіполярної дифузії; - довжина хвилі на якій робиться зондування; - час, за який амплітуда прийнятого сигналу зменшитися в е раз. Це вносить деякі методичні помилки у вимір коефіцієнта амбіполярної дифузії за класичною методикою і є однією із причин наявності розкиду індивідуальних значень коефіцієнта амбіполярної дифузії. Для мінімізації динамічних погрішностей виміру різниці фаз, викликаних перехідними процесами у вибірних ланцюгах радіочастотного тракту, необхідне фазове калібрування каналів, зменшення часового зсуву сигналів між окремими каналами та вибір часу виміру, що забезпечує необхідну точність вимірів. Для оцінки впливу неізотермічності плазми метеорного сліду на швидкість загасання амплітудно-часових характеристик (АЧХ) сигналів, відбитих від ненасичених метеорних слідів, проведено аналіз поводження вимірюваного значення коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування сліду за результатами двочастотних радіолокаційних спостережень (рис.1).Виявлено фактори, врахування впливу яких в алгоритмі обробки інформації в МРЛС істотно підвищить вірогідність визначення амбіполярної дифузії у верхній атмосфері. Її реалізація дозволить: зменшити в 4 рази розміри антеної площадки, істотно підвищити фазову стабільність прийомних каналів, підвищити точність виміру часового положення й фази прийнятих сигналів, знизити імпульсну потужність (при збереженні енергетичного потенціалу) майже на порядок. Отримано висотні залежності поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного сліду за результатами двочастотних радіолокаційних вимірів з високоточним визначенням висоти відбиваючої точки метеорного сліду. За результатами їхнього аналізу показано, що поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії не повязано з неізотермічністю плазми метеорного сліду, а визначається резонансним характером відбиття радіохвиль від метеорного сліду. На основі двочастотних радіолокаційних вимірів з високоточним визначенням висоти відбиваючої точки метеорного сліду отримано залежності коефіцієнта амбіполярної дифузії від кута місця й висоти, що дозволили оцінити т.зв. анізотропію цього параметра.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу вдосконалювання фазової МРЛС із метою підвищення точності визначення параметрів верхньої атмосфери радіометеорним методом. Виявлено фактори, врахування впливу яких в алгоритмі обробки інформації в МРЛС істотно підвищить вірогідність визначення амбіполярної дифузії у верхній атмосфері.

1. Розроблено методологію побудови сучасних МРЛС, призначених для досліджень атмосферних процесів. Її реалізація дозволить: зменшити в 4 рази розміри антеної площадки, істотно підвищити фазову стабільність прийомних каналів, підвищити точність виміру часового положення й фази прийнятих сигналів, знизити імпульсну потужність (при збереженні енергетичного потенціалу) майже на порядок. Методом чисельного моделювання показано перевагу цифрового виміру фази прийнятого сигналу в порівнянні з методом виміру величин інтервалів між переходами через "0".

2. Отримано висотні залежності поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії протягом часу існування метеорного сліду за результатами двочастотних радіолокаційних вимірів з високоточним визначенням висоти відбиваючої точки метеорного сліду. За результатами їхнього аналізу показано, що поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії не повязано з неізотермічністю плазми метеорного сліду, а визначається резонансним характером відбиття радіохвиль від метеорного сліду.

3. Розроблено модель поводження коефіцієнта дифузії у часі в діапазоні висот метеорної зони атмосфери, визначеного за теоретичними кривими модуля коефіцієнта зворотного розсіювання. У результаті модельного експерименту показано, що характер поводження модельної залежності достатньо близький до поводження експериментальної залежності. Таким чином, можна стверджувати, що резонансний характер відбиття радіохвиль від метеорного сліду дає переконливе пояснення поводженню спостережуваної залежності коефіцієнта дифузії від часу.

4. На основі двочастотних радіолокаційних вимірів з високоточним визначенням висоти відбиваючої точки метеорного сліду отримано залежності коефіцієнта амбіполярної дифузії від кута місця й висоти, що дозволили оцінити т.зв. анізотропію цього параметра. У результаті аналізу цих залежностей відзначається істотна відмінність поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії, обмірюваного на різних довжинах хвиль, а також складна й неоднозначна залежність від кута місця й висоти.

5. Розроблено модель просторового розподілу коефіцієнта амбіполярної дифузії при двочастотному зондуванні, що враховує вплив Фарадеєвського обертання площини поляризації електромагнітного поля зондувального імпульсу й резонансного характеру розсіювання радіохвиль метеорними слідами. Порівняння поводження коефіцієнта амбіполярної дифузії, вимірюваного під різними кутами місця в діапазоні висот метеорної зони атмосфери за експериментальними даними й за результатами модельного експерименту, дозволяє зробити висновок, що спостережувана анізотропія коефіцієнта амбіполярної дифузії багато в чому зумовлена ефектом Фарадея в метеорній зоні атмосфери.

6. У роботі показано, що врахування в алгоритмі обробки інформації МРЛС, впливу резонансного характеру відбиття радіохвиль від метеорних слідів ненасиченого типу може знизити погрішність визначення коефіцієнта амбіполярної дифузії на 30%. Показано також, що при радіолокаційних вимірах урахування впливу ефекту Фарадея знизить методичну погрішність виміру коефіцієнта амбіполярної дифузії на 12%.

7. На основі результатів виміру амбіполярної дифузії, що супроводжувалися високоточним виміром кутових координат, отримано дані про варіації параметрів атмосфери в метеорній зоні. На висотно-часових залежностях коефіцієнта амбіполярної дифузії добре проглядаються періодичні структури, що відповідають за своїми параметрами відомим видам коливальних рухів в атмосфері - внутрішнім гравітаційним хвилям, приливним коливанням і т.д. Це дозволяє зробити висновок, що причиною, яка викликає спостережувані часові зміни коефіцієнта амбіполярної дифузії, є реально існуючі часові зміни щільності атмосфери.

8. Результати роботи використано для удосконалювання МРЛС ХНУРЕ, що підтверджується відповідним актом про впровадження.

1. Олейников В. Н., Соляник О. А., Евсеев Д. Б. Оценка некоторых характеристик турбулентных процессов в тропосфере радиолокационным методом // Прикладная радиоэлектроника. - 2004.- Т. 3, №1. - С. 35 - 40.

2. Олейников В. Н., Евсеев Д. Б. Коэффициент амбиполярной диффузии по результатам двухчастотных радиолокационных измерений // Прикладная радиоэлектроника. - 2004. Т. 3, №.3. - С. 10 - 15.

3. Олейников В. Н. Евсеев Д. Б. Радиолокационные наблюдения временной зависимости коэффициента амбиполярной диффузии метеорной плазмы // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 140. -

С. 37-45.

4. Олейников В.Н., Евсеев Д.Б. Наблюдаемая анизотропия амбиполярной диффузии метеорных следов // Прикладная радиоэлектроника. - 2005.- Т.4, №.2 - С. 212-217

5. Евсеев Д.Б. Особенности системы калибровки фазовых каналов угломерной системы метеорной РЛС. // Тезисы докладов 2-й Харьковской конференции молодых ученых "Радиофизика и СВЧ электроника".- Харьков: ИРЭ.-2002. - С.35.

6. Евсеев Д.Б. Наблюдаемое изменение коэффициента амбиполярной диффузии по результатам радиолокационных двухчастотных измерений. // Материалы 7-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2003.- С. 22.

7. Олейников В. Н. Соляник О. А. Евсеев Д. Б. Оценка характеристик турбулентных процессов в тропосфере методом радиолокационного зондирования. // Тезисы докладов 13-й Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии".- Севастополь.-2003. - С.753-754.

8. Евсеев Д.Б. Результаты моделирования нестационарности коэффициента амбиполярной диффузии при радиолокационных наблюдениях метеорных следов// Материалы 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2004. -С. 13.

9. Олейников В.Н., Евсеев Д.Б. Анизотропия амбиполярной диффузии в метеорной зоне атмосферы// Тезисы докладов Международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе. - 2004. - С.267-268.

10. Евсеев Д.Б. Влияние динамических процессов в термосфере на оценки коэффициента амбиполярной диффузии// Материалы 9-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ столетии”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2005. - С.36.