Многочастотный радиоинтерферометр космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Хейн Тхура Аунг

• Хейн Тхура Аунг
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хейн Тхура Аунг

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Обзор проблемы оценки состояния поверхности акваторий по взаимной корреляционной функции

1.1. Взаимная корреляционная функция радиосигналов, рассеянных от морской поверхности, разнесенных по частоте

1.2. Измерение высоты морских волн по коэффициенту взаимной корреляции эхо-сигналов, разнесенных по частоте в СВЧ диапазоне

1.3. Измеряемые характеристики морского волнения и феноменологическая

модель эхо-сигнала

1.5. Выводы по главе 1

2. Оценка среднеквадратичных ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции при синтезировании апертуры

антенны и использовании антенной решетки

2.1. Взаимная корреляционная функция эхо-сигналов на двух частотах при фокусированном режиме синтезирования апертуры антенны

2.2. Взаимная корреляционная функция эхо-сигналов на двух частотах при нефокусированном режиме синтезирования апертуры антенны

2.3. Взаимная межчастотная корреляционная функция при надирном синтезе апертуры антенны и использовании антенной решетки

2.4. Выводы по главе 2

3. Оптимальный выбор рабочих частот и формирование зондирующего сигнала

3.1. Выбор значения разностей частот, соответствующих заданному диапазону измеряемых высот морских волн

3.2. Формирование зондирующего сигнала с угловой модуляцией

3.3. Выводы по главе 3

4. Оценка потенциальной точности измерения высоты морских волн по взаимной корреляционной функции

4.1 Оценка степени волнения морской поверхности по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала с учетом собственных шумов приемного устройства

4.2. Оценка потенциальной точности измерения степени волнения

морской поверхности по двухчастотному коэффициенту корреляции отраженного сигнала

4.3. Синтез алгоритма оптимального измерения степени волнения МП по двухчастотному коэффициенту корреляции эхо-сигнала

4.4. Выводы по главе 4

5. Разработка компьютерной модели оценки степени волнения морской

поверхности по взаимной корреляционной функции

5.1. Структура и описание модели

5.2. Блок формирования радиолокационного рельефа

5.3. Блок формирования траекторного сигнала

5.4. Блок формирования опорной функции

5.5. Блок обработки сигналов

5.6. Блок формирования межчастотной корреляционной функций и его фазы

5.7. Блок формирования оценки состояния МП

5.7. Сопоставление результатов моделирования с теоретическими расчетами

5.8. Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

131

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многочастотный радиоинтерферометр космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий»

ВВЕДЕНИЕ

Задачи по освоению ресурсов Земли и Мирового океана требуют разработки принципиально новых средств и методов исследования [1]. В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. При этом актуальными являются задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения (МВ). Космические системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток.

Теоретические и экспериментальные исследования статистических характеристик радиосигналов, рассеянных от морской поверхности (МП), анализ их связи с основными параметрами МВ - высотой, наклонами, направлением распространения волн, скорости и направления ветра над поверхностью моря открывают возможности для создания радиотехнических средств измерения этих параметров с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эта информация необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и морях, для океанологических научных исследований, обеспечения навигации судовождения, строительства и эксплуатации различных гидротехнических сооружений (буровые вышки, порты и т.п.), экологического мониторинга и т.д.

Космические средства позволяют регулярно получать океанологическую информацию с огромных территорий и в настоящее время стали важнейшими источниками информации об океане наряду с судовыми и другими контактными исследованиями.

В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени волнения МП радиолокационным методом, является прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). Однако, основная задача ПРВ -это уточнение формы морского геоида, картирование гравитационных аномалий и контроля морских течений, а опре-

деление высоты MB - вспомогательная задача ПРВ. В связи с этим точность определения степени волнения МП не слишком велика.

Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ "Skylab", "Geos-C", "Seasat", "Topex-Poseidon", "Jasion" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений [2 - 6]. В известных зарубежных публикациях Ж. Брауна, JL Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах российских авторов А.П. Жуковского, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова, H.A. Важенина и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиосигналы с шириной спектра в сотни МГц и длительностью более 100 мкс, при этом основную информацию об измеряемых параметрах несет усредненная форма рассеянных от МП сигналов ПРВ [7 - 18]. Тактико-технические характеристики существующих и перспективных ПРВ даны в [4] таблица 1. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей морского волнения с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра (МРИ), позволяющего получить информацию о характеристиках MB, а именно высоте MB путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции (ДЧКФ) сигнала, отраженного от МП.

Возможность оценки высоты MB по ДЧКФ эхо-сигнала хорошо известна и исследовалась в работах таких авторов, как Д.Е. Вейсман, JIM. Миллер, А.Е. Башаринов, A.A. Гарнакерьян, А.И. Баскаков и др. Однако, до сих пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем PJIC является вертолет или самолет [19-25]. С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области и при этом чувствительность ДЧКФ к высоте MB резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты MB по ДЧКФ с борта ИСЗ стано-

вится невозможным. Другими словами, с ростом высоты облучения при фиксированной ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) возрастают размеры облучаемой на МП области и, соответственно, растет разброс разностей набега фаз на двух частотах от одних и тех же парциальных отражателей, находящихся в облучаемом на МП области. Это и вызывает декорреляцию ДЧКФ, которая маскирует полезную декорреляцию из-за волнения моря. В диссертации показано, что для получения одинаковой чувствительности метода к высоте МВ во всем возможном диапазоне морского волнения необходимо использовать не две, а не менее 6-ти излучаемых частот и предложен способ их оптимального выбора [26 - 32]. Поэтому радиоинтерферометр назван многочастотным. Но такой многочастотный сигнал сложен в реализации. Поэтому предложено и разработано использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией с оптимальным образом выбранным индексом модуляции, позволяющим получить спектр из одиннадцати гармоник, вместо многочастотного непрерывного сигнала [26]. Предложена и проверена компьютерная модель разработанного метода [33 -35].

Все это делает актуальной выбранную тему для данной диссертационной работы и позволяет сформулировать цель исследований.

Цель диссертационной работы. На основе теоретического обобщения должна быть решена актуальная научная задача, заключающаяся в исследовании и разработке многочастотного радиоинтерферометра, осуществляющего определение степени волнения МП с борта ИСЗ по взаимной межчастотной корреляционной функции эхо-сигналов. Данная цель в свою очередь ставит ряд вопросов, требующих решения:

1. Обоснованность возможности оценки высоты МВ по ДЧКФ с ИСЗ.

2. Разработка эффективного метода оценки высоты МВ с подавлением декорре-лирующего множителя ДЧКФ.

3. Оптимальный выбор рабочих частот и формирование зондирующего сигнала.

4. Оценка потенциальных точностных характеристик разработанного метода.

5. Проверка на компьютерной модели разработанного метода.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радиотехники, современной теории радиолокации. Выполнено компьютерное моделирование с использованием пакета программ МАТЬАВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Использование метода надирного синтезирования апертуры антенны и создание приемной антенной решетки в плоскости перпендикулярной направлению полета ИСЗ для подавления декоррелирующего множителя ДЧКФ.

2. Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки, рассеянных от МП радиосигналов.

3. Оценки потенциальной точности измерения высоты МВ в зависимости от выбранных параметров МР, режима облучения и состояния МП.

4. Разработка компьютерной модели проверки метода определения степени волнения МП по взаимной межчастотной корреляционной функции.

Научная новизна результатов работы.

1. Теоретически и на компьютерной модели доказано, что использование надирного синтезирования апертуры антенны и приемной антенной решетки в поперечной плоскости относительно направления полета ИСЗ позволяют существенно подавить паразитную декорреляцию и повысить чувствительность многочастотного радиоинтерферометра к высоте МВ.

2. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных разносов рабочих частот, соответствующих возможному диапазону измеряемых высот МВ.

3. Предложено использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией с оптимальным образом выбранным индексом модуляции, позволяющим получить наиболее равномерный спектр из одиннадцати гармоник, вместо многочастотного непрерывного сигнала.

4. Найден оптимальный алгоритм обработки рассеянных от МП многочастотных радиосигналов и исследована потенциальная точность измерения высоты МВ по ДЧКФ.

Практическая ценность.

1. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании радиолокационных систем ДЗЗ, а также для оценки их структуры и точностных характеристик при широком диапазоне вариаций исходных данных.

2. Результаты моделирования позволили объяснить структуру оптимального измерителя и последовательность необходимых операций над многочастотным отраженным сигналом.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в академическим учреждении РАН, НИИ и ОКБ, занимающихся разработка радиолокационных систем дистанционной зондировании в радиодиапазоне с космических аппаратов. Результаты работы использованы в качестве дополнительных разделов в курсе лекций "Локационные методы исследования объектов и сред", читаемых на Радиотехническом факультете НИУ МЭИ для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника" — 210400.

Достоверность результатов. Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической радиотехники и радиолокации, использовании теории синтеза апертуры антенны, апробации на результатах компьютерного моделирования, на многочисленных публикациях и выступлениях на различных научно-технических конференциях (НТК), одобренных научной общественностью.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах кафедры радиотехнических приборов НИУ "МЭИ", на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в НИУ (МЭИ) 2009 - 2013 г; на третьей Всероссийской научно-технической школе - конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (МГТУ МИРЭА, 2011 г); на Московской молодежной научно - практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) и на У-ой Всероссийской научной конференции "Ра-

диофизические методы в дистанционном зондировании сред" (МИ ВлГУ, 2012 г) в городе Муром, Владимирской области.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в научно-технических журналах (4 из списка ВАК), 6 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений на 8 стр., списка цитируемой литературы из 76 наименований и содержит 139 стр. текста, 68 рисунков и 2 таблицы.

1. ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ АКВАТОРИЙ ПО ДВУХЧАСТОТНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ

В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени волнения МП радиолокационным методом являются прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ) [2-9]. ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по МП, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты МВ, и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных с изменением уровня МП. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ [2-9]. Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ "8ку1аЬ", "СеоБ-С", "ЗеаэаГ, "Торех-Розе1с1оп", "Дазюп" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений. Однако, основная задача ПРВ - оценка топографии МП путем высокоточного измерения высоты до среднего уровня МП при известных параметрах орбиты ИСЗ, а измерение высоты МВ в этих приборах является вспомогательной задачей. Сложность и дороговизна ПРВ заставляет искать другие методы реализации измерителей МВ с борта ИСЗ.

Метод, предложенный и исследованный в диссертации посвящен разработке надирного многочастотного радиоинтерферометра, позволяющего получить информацию о характеристиках морского волнения: высоте МВ путем вычисления взаимной ДЧКФ сигнала, отраженного от МП. Возможность оценки высоты МВ по ДЧКФ эхо-сигнала хорошо известна. Однако, до сих

пор этот метод применялся только для относительно небольшой высоты полета, когда носителем является вертолет или самолет [20 - 24].

С ростом высоты облучения МП значительно возрастает значение де-коррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и чувствительность ДЧКФ к высоте МВ резко падает. В связи с этим использование метода оценки высоты МВ по ДЧКФ с борта ИСЗ становится невозможным. Все это делает актуальной выбранную тему для данной диссертационной работы - разработке многочастотного радиоинтерферометра космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий.

1.1. Взаимная корреляционная функция радиосигналов, рассеянных от морской поверхности, разнесенных по частоте

Теоретические и экспериментальные исследования статических характеристик радиосигналов, рассеянных от МП, анализ их связи с основными параметрами МВ - высотой, наклонами, направлением распространения волн, скоростью и направлением ветра над поверхностью моря открывает возможности для создания радиотехнических средств измерения этих параметров с борта космических аппаратов (КА).

Один из таких измерителей основан на оценке взаимной ДЧКФ, разнесенных по частоте радиосигналов, рассеянных от МП, связанной со среднеквадратичной высотой МВ облучаемой области. Этот способ оценки высоты МВ может применяться только для относительно небольших высот полета носителя, не более 10 км. Рассмотрим суть данного способа измерения.

Пусть МП описывается функцией г=к(х,у). Космический аппарат находится в точке А(0,0,(см. рис. 1.1). На малом космическом аппарате (МКА) устанавливается антенная система с узкой диаграммой направленности. При малых углах визирования морская поверхность облучается монохроматиче-

скими электромагнитными колебаниями одновременно на двух частотах щ и о)2.

Прием эхо - сигналов осуществляется также в точке А(0,0,2^).

А(0,0,20)

Рис .1.1. Геометрия облучения морской поверхности

Ось диаграммы направленности приемопередающей антенны может отклоняться от нормали к поверхности и составлять с осью ОЪ угол <15° . Частоты ¿у, и а>2 незначительно отличаются друг от друга. Относительная разность частот удовлетворяет условию (1.1)

А со

-= —-1-«1

со,

(1.1)

Расстояния и Щ соответствуют отрезкам АМ и АМ', тогда расстояния от гребня волны с ординатами И и к'до фазового центра антенны в точке А будет соответственно:

Л10 = -к-соь/З и ¿10=л/-Л'-сов^'.

Пренебрегая при (3 < 15° вкладом мелких неровностей в эхо-сигнал и используя приближение Кирхгофа для расчета рассеянных полей, можно записать выражения для комплексных амплитуд напряжений на выходе приемной антенны следующим образом (в предположении, что на прием и передачу используются идентичные антенны):

■ ¿о С08Л)

2лВ1

Я в2 (а, /3) ехр[- 2/ • кх (Л, - И ■ сое

(1.2)

• К соър{

2жКп

■Я<^2(а,Яехр

¿2

-2¡-к2[ Л,' -А'-сов/?^

сЬсс^у,

(1.3)

где <2Х =

8л-

, Рд - мощность, поступающая в антенну, Со - коэф-

фициент усиления, Япр - активное сопротивление приемной антенны (тогда

т2

- \ ГГ„ - 1__

и* ■ 2

мощность принятого сигнала Рпр = —— ), = 1 —т= - коэффициент зер-

кального отражения Френеля, к - относительная диэлектрическая проницаемость морской воды; С(а,(3) - функция, описывающая нормированную диаграмму направленности антенны (ДНА); Я0 - расстояние до среднего уровня МП по направлению оси ДНА; Д? - угол отклонения оси ДНА от вертикали,

Предполагая, что волновые числа и к2 незначительно отличаются друг от друга, запишем выражение для взаимной корреляционной функции комплексных амплитуд в виде

Кс(ы<) = ихи2-ихи2 ,

(1.4)

где А к= кх - к2

Черта сверху в (1.4) означает статистическое усреднение по ансамблю реализаций случайного аргумента к. Учитывая, что случайная величина к имеет нормальный двумерный закон распределения, и используя (1.2), (1.3) и (1.4)

Дс(д*)=

{ • \г KQ\ • Fo cos/?0

InRl

■2i-1 kxRx -k2Rx

<

<

ехр{2<Тд \kx • cos2 [5 + k\-cos2 ¡5'-2ph(Ax,&y)kxk2 cos/3cos/?']}-- exp[- 2a2h {k\ • cos2 p + k\ • cos2 /?')] > dxdydx'dy' ,

(1.5)

где Ph(Ax,Ay) - корреляционная функция поверхности.

Рассмотрим случай крупных неровностей поверхности (СВЧ радиодиапазон), когда выполняются условия

a23=(2k-ah-cos/?0)2>l,

Л 4

В этом случае в (1.5) можно положить

ехр[- 2а\ {к2 • cos2 fi + к] ■ cos2 /?')] = 0.

ад-Mi = {K-k2)-Rc

1- —sin2 р0

¿Кп

Воспользуемся вначале гауссовой аппроксимацией корреляционной функции рк(Лх,Лу) изотропной поверхности [1]

ph(Ax,Ay) = ехр

f 1 О \

ll

(1.6)

где 4 - корреляционный интервал на МП. Полагая

G2(cc',p')*G2{a,p)\ cos£' = cos Р\

разложим функцию (1.6) в ряд по степеням Ах, Ау. Затем, использовав в разложении два первых слагаемых, получим

ДС(М) =

( • \г совД

2тгК

ехр

1 .

-2гЯ0(к]-к2)-\1--8т2/30

\\0А(а,р)с1хс1у

/ / ехр

-2(А:1Псо8Д)2(ДХ2+А/)-

—(х2 +У2)~к 2 (Лл;2 + + *2 + Ду2 + 2уАу + у2)]

с1Ахс1Ау,

(1.7)

где Лх=хл-х; Ау=у"-у, у^ - среднеквадратичный угол наклона поверхности

(/Л2 -2аа2//а2 ). Для вычисления внутреннего интеграла в (1.7) воспользуемся формулой

//ехр{-(а, • х2 + а2 • у2)+ /'• (а3 ■ х2 + а4 ■ у2)+ 2• (а5 • х + а6 ■ у)+а7\dxdy =

тс

^/(а2 + а2 )• [а2 + а2)

(1.8)

■ехр

/ 2 2 \ /

1 5 -V +/'

2 2 2 2

+ а3 а2 + я4

2 2 1 а4 а3 • а5 а4 • а6

V

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Хейн Тхура Аунг

5.9. Выводы по главе 5

1. Результаты моделирования подтвердили основные теоретические закономерности метода, в частности, уменьшение величины ДЧКФ с ростом высоты облучения или с расширением ДНА.

2. Для получения более точной оценки волнения целесообразно использовать одновременно несколько значений девиации частоты при различных состояниях МП.

3. Отличие теоретического расчета от результатов моделирования наблюдается из-за того, что в расчетной формуле (1.17) учитывается полная диаграмма направленности реальной антенны, в то время как при моделировании она ограничена по уровню -3 дБ. При увеличении размеров моделируемой области в 2 раза (эквивалентно ограничению ДНА на уровне -12,5 дБ) результаты моделирования совпадают с теоретическим расчетом .

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации подробно рассмотрены известные из литературы результаты по взаимной корреляции функции рассеянных от морской поверхности сигналов СВЧ диапазона, разнесенных по частоте. Показана связь между двухчастотным коэффициентом корреляции и среднеквадратичной ординатой морских волн в облучаемой области. Величина модуля коэффициента взаимной корреляции уменьшается с увеличением высоты морских волн Н3о/о или с увеличением значения среднеквадратичных ординат морских волн ah при фиксированном значении разности частот Af.

2. Приведены основные сведения о характеристиках морской поверхности и показано, что для анализа статистических характеристик эхо-сигналов более всего подходит феноменологическая модель, с помощью которой морская поверхность представляется в виде набора парциальных элементарных отражателей. При этом рассеянный сигнал представляется суперпозицией парциальных сигналов по облучаемой области.

3. До сих пор способ оценки среднеквадратичных ординат MB по двухчастотной корреляционной функции применялся только для относительно небольшой высоты полета. С ростом высоты облучения поверхности значительно возрастает значение декоррелирующего множителя коэффициента корреляции, связанное с увеличением размеров облучаемой на МП области, и для космического базирования чувствительность ДЧКФ к высоте MB резко падает.

4. С целью подавить декоррелирующий множитель, предлагается сузить облучаемую на МП область. Её можно сузить по линии пути за счет синтеза апертуры антенны, а в поперечном направлением за счет использования антенной решетки.

5. Показано, что при постоянной высоте полета К А ослабление влияния декоррелирующего множителя происходит при сужении ДНА РЛС.

6. Использование надирного синтезирования апертуры антенны дает довольно заметный выигрыш в чувствительности метода к состоянию МВ, однако, используя антенную решетку, ориентированную поперек вектора скорости КА, удается практически исключить влияние декоррелирующего множителя на ДЧКФ.

7. Итак, как и ожидается, увеличение числа элементов приводит к сужению ДНА, а это в свою очередь приводит к увеличению абсолютного значению модуля коэффициента корреляции. Но, как видно из приведенных результатов, при увеличении числа элементов М более 5 , характеристики измерения улучшаются незначительно. Следовательно, не имеет смысла создавать громоздкую конструкцию антенной системы на борту космического аппарата, поэтому предпочтительней выбирать небольшое количество элементов решетки (М -3).

8. Увеличение диаметра параболической антенны приводит к незначительному улучшению характеристик измерения, поэтому из-за ограничений для малого космического аппарата, возникающих на орбите, нет необходимости применять в качестве излучателей параболические антенны с большим диаметром зеркала.

9. Увеличение разноса частот приводит к росту чувствительности характеристик измерения. При большей разности частот имеется лучшая чувствительность при малом волнении моря, а при уменьшении Л/ лучшая чувствительность к высоте морских волн достигается на большом волнении морской поверхности. Достаточно четырех разноса частот для достижения одинаковой чувствительности измерений высоты морских волн во всем возможном диапазоне балльности морской поверхности.

Ю.Как и следовало ожидать, увеличение высоты полета КА приводит к ухудшению характеристик измерения. Но тем не менее, даже на максимальной орбите до 800 км, можно проводить оценку высоты морских волн, реализуя 4.5 градаций балльности.

11.Показано, что максимальная чувствительность МРИ к среднеквадратичным ординатам морских волн реализуется для оптимальных значений разностей излучаемых частот. При этом величина квадрата модуля коэффициента взаимной корреляции обладает наибольшей чувствительностью к высоте морских волн при значении оптимальной разностей рабочих частот - 60; 24; 12; 6 МГц.

12.Предложено вместо многочастотного сигнала использование зондирующего сигнала с гармонической ЧМ при соответствующим образом выбранным индексе модуляции т = 4,5, позволяющим получить наиболее равномерный спектр из одиннадцати гармоник, вместо многочастотного сигнала.

13.Избыточность в гармониках спектра зондирующего сигнала может быть использована для одновременной реализации на базе космического многочастотного МРИ высокоточного фазового радиовысотомера. Часть гармоник спектра сигнала с угловой модуляцией при этом пойдёт на раскрытие неоднозначности высокоточных измерений высоты над средним уровнем МП.

14.Полученные результаты показали высокую точность предложенного метода, и что особенно важно, в области слабого волнения МП, где получение высокой точности измерений ординат морских волн другими методами, например, со спутниковых высокоточных радиоальтиметров [8] представляется проблематичным. Результаты расчетов показывают, что может быть реализована потенциальная точность оценки ординат морских волн не хуже 0,1м для слабого и среднего волнения, а для сильного волнения не хуже 0,3 м. Небольшие требуемые габариты антенной системы и простота алгоритма обработки позволяют использовать данный радиолокатор на малом КА.

15.Для достижения указанной точности необходим надирный синтез апертуры антенны, позволяющий сузить ДНА по одной координате вдоль линии пути. В поперечном направлении размер облучаемой на МП области можно сузить созданием приемной антенной решетки. При этом наиболее приемлемым значением длины волны является 0,86см, а отношение С/Ш должно быть не менее 10 дБ.

16.Синтезирован оптимальный алгоритм измерения степени взволнованности МП по критерию максимального правдоподобия, который показал необходимость учета не только амплитудных значений взаимных коэффициентов корреляции, но и фазовых различий.

17.Результаты компьютерного моделирования подтвердили основные теоретические закономерности метода, в частности, уменьшение величины ДЧКФ с ростом высоты облучения или с расширением ДНА.

18.Отличие теоретического расчета от результатов моделирования наблюдается из-за того, что в расчетной формуле (1.17) учитывается полная диаграмма направленности реальной антенны, в то время как при моделировании она ограничена по уровню -3 дБ. При увеличении размеров моделируемой области в 2 раза (эквивалентно ограничению ДНА на уровне -12.5 дБ) результаты компьютерного моделирования приближается с теоретическим расчетам.

122

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хейн Тхура Аунг, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Концепция развития Российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025г. Федеральное Космическое Агентство, 2006. - 72с.

2. Виницкий А.С. Автономные радиосистемы: Учебное пособие для вузов. - М: Радио и связь, 1986. - 336 с.

3. Rodriguez Е., Pollard В. D. Centimetric Sea Surface Height Accuracy Using the Wide-Swath Ocean Altimeter, Proceedings of IGARSS 2003, Toulouse, France, July. - 2003, - P. 21-25.

4. Баскаков А.И., Егоров В.В. Спутниковая высокоточная радиовысото-метрия: проблемы и перспективы. // Радиотехнические тетради. - 2010. № 41, -С. 14-21.

5. Kremer H.J. Observation of the Earth and its environment survey of missions and sensors. DLP.Oberpfaffenhofen, 1993. - 476 p.

6. Баскаков А.И. Прецизионный океанографический радиовысотомер космического базирования. Учебное пособие. - М.: Изд. МЭИ (ТУ), 1994. -74 с.

7. Influence of anisotropy of sea surface on back dissipation diagram and reflected signal of precision radio-altimeter / Terehov V.A., Baskakov A.I., Po-bedonostzev K.A., Morozov K.N. International Symposium on Satellite Communication and Remote Sensing SCRS'97, ХГап, PR China, September. - 1997. P. 274-278.

8. Terehov V.A., Baskakov A.I., Pobedonostzev K.A. The Research of Fast and Slow Fluctuations Correlation Intervals for Radio signals Reflect from Sea Surface. International Symposium on Satellite Communication and Remote Sensing. SCRS"95, XT an, PR China, September 20-22. - 1995. - p. 240-243.

9. Терехов B.A., Баскаков А.И., Гагарин С.П., Калинкевич А.А. Океанографические исследования с помощью радиовысотомера и поляризационно-

го радиометра. Тез. докл. 5-й Всесоюзный семинар ГОИН, ВДНХ. - М., 1983.- С. 15-20.

10. Brown G. S. The Average Impuls Response of a Rough Surface and Its Applications // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. - 1977. - Vol. AP-25, №1. - P. 67-74.

11. Макгуген Э.Т., Миллер Л.С., Браун Г.С., Хейн Г.С. Исследование поверхности Земли с помощью радиовысотомера S - 193 // ТИИЭР. - 1974. - Т. 62, №6.-С. 171-184.

12. Hayne G.S. Radar Altimeter Mean Return Waveform from Near-Normal-Incidence Ocean Surface Scattering // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. AP-28, №5. - P. 687-692.

13. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Радио, 1968. - 224 с.

14. Баскаков А.И. Исследование возможности использования сигналов с линейной частотной модуляцией для оценки взволнованности морской поверхности. Известия высших учебных заведений // Радиофизика. - 1978. -Т.16, №5. - С. 710-713.

15. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиолокации. Под ред. А.П. Жуковского. - М.: Советское радио, 1979. - 320 с.

16. Способ определения характеристик волнения морской поверхности с летательного аппарата. Авторское свидетельство №1344072, от 08.07.1987г. / Арманд H.A., Баскаков А.И., Калинкевич A.A., Кутузо Б.Г., Терехов В.А.

17. Важенин H.A., Волковский С.А., Ряпухин И.А. Автоматизированное проектирование бортовых автономных радиотехнических измерителей. Издание МАИ. 1989. - 78 с.

18. Исследование и разработка принципов построения космических радиотехнических комплексов дистанционного зондирования для прецизионного восстановления рельефа поверхности Земли. / Баскаков А.И., Терехов В.А.,

Сажнева А.Э., Морозов К.Н. // Отчет по НИР. Гос. регистр. № 01980009875, каф. РТП, МЭИ (ТУ), - М.: 1999. - 79 с.

19. Гарнакерьян А.А., Сосунов А.С. Радиолокация морской поверхности. Издание Ростовского университета. 1978. - 144 с.

20. Weissman D.E. Two frequency radar interferomrtry applied to the measurement of ocean wavehight // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. -1973. - Vol. AP-21, №5. - P. 649-656.

21. Weissman D.E., Johnson J.W. Dual frequency correlation radar measurements of the height statistics of ocean waves // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. - 1977. Vol. AP-25, - P. 74-83.

22. Баскаков А.И, Ka Мин-Хо, Терехов B.A. Оценка среднеквадратичного наклона морских волн по статистическим характеристикам отраженных радиолокационных сигналов при облучении морской поверхности с борта самолета или космического аппарата // Радиотехнические тетради. - 2003. №26. - С, 23-28.

23. Баскаков.А.И, Ка Мин-Хо, Терехов.В.А. Оценка ординат морских волн по взаимной двухчастотной корреляционной функции отраженных сигналов при надирном синтезировании апертуры антенны // Радиотехника. - 2006. № 12,-С. 37-41.

24. Баскаков А.И., Терехов В.А., Жутяева Т.С. Исследование взаимной корреляции отраженных от морской поверхности СВЧ-радиосигналов, разнесенных по частоте // Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные»: Тез.докл. г. Сочи. 2004. - С.197-198.

25. Арманд Н.А., Башаринов А.Е., Шутко A.M. Исследование природной среды радиофизическими методами. Известия высших учебных заведений. // Радиофизика. - 1977. - Т. 20, №6. - С.809-841.

26. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А. И. Использование зондирующего сигнала с угловой модуляцией в многочастотным радиоинтерферометре анализа состояния поверхности акваторий // Радиотехнические тетради. - 2011. № 44, -С. 39-44.

27. Хейн Тхура Аунг. Многочастотный радиоинтерферометр космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий // фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Материалы Международной научно - технической конференции « INTERMATIC - 20011» 14-17 ноября 2011г. : Тез. докл. - М.: МГТУ МИРЭА - ИРЭ РАН, часть 3.-254 с.

28. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Измерение высоты морских волн по коэффициенту взаимной корреляции отраженных сигналов, разнесенных по частоте в СВЧ - диапазоне. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 392 с.

29. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Реализация высокоточного космического многочастотного радиовысотомера с фазовым методом измерения над морской поверхностью. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т.1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 122 с.

30. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Оценка потенциальной точности измерения морских волн по взаимной корреляционной функции. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4-х т. Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.-318 с.

31. Хейн Тхура Аунг. Проблемы оптимального выбора рабочих частот космического многочастотного радиоинтерферометра для исследования океана. // Московская молодежная научно-практическа конференция «Инновации в авиации и космонавтике - 2012» 17-20 апреля 2012 г. Тез. докл. - М.:: ООО «Принт-салон». - 135 с.

32. Хейн Тхура Аунг. Потенциальные точностные характеристики многочастотного радиоинтерферометра малого космического аппарата // II всероссийские Армандовские чтения «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред»: Тез. докл. МИ ВлГУ 2012 года. Муром, http ://www.mivlgu.ru/conf/armand2012/pdf/S2_ 19.pdf.

33. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А. И. Разработка компьютерной модели поверхности акваторий с борта ИСЗ // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2011. №3. - С.43-49.

34. Хейн Тхура Аунг, Баскаков А.И. Разработка компьютерной модели проверки алгоритма определения степени взволнованности морской поверхности космическим многочастотным интерферометром. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4-х т. Т. 1- М.: Издательский дом МЭИ, 2013, -126 с.

35. Хейн Тхура Аунг, А.И. Баскаков. Разработка компьютерной модели многочастотного радиоинтерферометра космического базирования для оценки состояния поверхности акваторий // Вестник МЭИ. - 2012. № 1, - С. 107-113.

36. Дупленков Д.А., Володина И.В. Антенны. Простые излучатели. Решетки. Конспект лекций: Учеб. Пособие по курсу « Техника СВЧ и антенны ». - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 132 с.

37. Терехов В.А. Надирный двухчастотный радиоинтерферометр с синфазной антенной решеткой для оценки состояния взволнованности морской поверхности с борта малого КА // Радиотехнические тетради. - 2007. № 34, -С.53-60.

38. И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов. Радио и связь, 1986. 512 с.

39. Хейн Т. А., Баскаков А. И. Оптимальный выбор рабочих частот космического многочастотного радиоинтерферометра для исследования океана. http://wvm.mai.ru. Труды МАИ, Вып.57.

40. Graber Н.С, Thompson D.R., Carande R.E. Ocean surface features and currents measured with synthetic aperture radar interferometry and HF radar // J. Geo-phys, 1996. - P. 25,813-25,832.

41. Синицын Ю.П., Переслегин C.B. Потенциальная точность и оптимальный алгоритм восстановления мезомасштабного рельефа морской поверхно-

сти космическим радиолокатором бокового обзора // Исследование Земли из космоса. - 2000, №1,-С. 51-57.

42. Переслегин C.B., Синицын Ю.П. Интерференционные радиолокаторы с синтезированной апертурой для оперативного мониторинга океанских явлений // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 2011, №6, - Т.54, - С. 415-430.

43. Переслегин C.B. Задача восстановления мезомасштабного поля уровня океана методами космической радиолокационной фазометрии // Исследование Земли из космоса. - 1996, №5, - С. 14-24.

44. Терехов В.А. Потенциальные точностные характеристики двухчастот-ного радиоинтерферометра космического базирования // Радиотехнические тетради. - 2007. №35, - С. 36-39.

45. Бакут П.А. Вопросы статистической теории радиолокации / Под общ. ред. Г.П. Тартаковского. - М.: Сов. Радио, - 1964, -Т.2, 1079с.

46. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1991, 608 с.

47. Гарнакерьян A.A., Сосунов A.C. Радиолокация морской поверхности. -Ростов на Дону: Изд. Ростовского университета, 1978, 144 с.

48. Загородников A.A. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1978. 238 с.

49. Мин-Хо Ка, Баскаков А.И. Выбор частоты повторения зондирующих сигналов в прецизионном космическом океанографическом радиовысотомере // Исследование Земли из космоса, №1, 2002. - С. 32-37.

50. Miller L.S. The application of near-nadir Ak radar techniques to geodetic al-

timetry and oceanografic remote sensing // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, - Vol. GE- 21, №1, January, 1983. - P. 16-24.

51. Kamal Sarabandi, Adib Nashashibi. Analysis and Applications of Backscat-tered Frequency Correlation Function // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, - Vol. 37, №4, July, 1999. - P. 1895-1906.

52. Chen, K., Fung, A., Weissman, D. A. Backscattering model for ocean surface // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, - Vol. 30, 1992. - P. 811-817.

53. Панасенко C.B., Черногор Л.Ф. Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений // Радиофизика и радиоастрономия. -2007.-Т.12, №4.-С. 385-398.

54. Запевалов A.C., Пустовойтенко В.В. Моделирование плотности вероятностей уклонов морской поверхности в задачах рассеяния радиоволн // Радиофизика. - 2010. - Т.53, №2. - С. 110-121.

55. Михайлов С.Я. Ионозонд с линейной частотной модуляцией радиосигнала как измеритель импульсной характеристики и передаточной функции радиоканала // Радиофизика. - 2009. - Т.52, №12. - С. 933-944.

56. Детков А.Н., Ницак Д.А., Объедков В.А. Дистанционный контроль состояния водной поверхности по интерферограммам РСА с поляризационной и интерферометрической обработкой сигналов // Радиотехника. - 2008. - №6. -С. 38-43.

57. Лобач В. Т. Радиолокационное измерение длины и главного направления распространения морских волн // Радиотехника. - 2008. - №11. - С. 93-46.

58. Дашкевич А.Ю., Юрчик И.А. Радиометрическое разрешение многочастотной РСА // Радиотехника. - 2008. - №9. - С. 41-45.

59. Караев В.Ю., Каневский М.Б., Баландина К.Н. Модель доплеровского спектра СВЧ радиоволн, рассеянных морской поверхностью в обратном направлении под малыми углами скольжения // Радиофизика. - 2012. - Т.45, №12.-С. 679-683.

60. Загородников A.A. Использование доплеровского спектра радиолокационного сигнала для измерения некоторых параметров морского волнения // Метеорология и гидрология. 1971, № 1, С. 65-72.

61. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Разманов В.М., Смолъяников И.В., Жуков A.B. Акустическое зондирование морского дна сигналами с линейной частотной модуляцией // Радиотехника. - 2004. - №1. - С. 42-46.

62. Сазонов H.A., Подгрудков Д.В., Щербинин В.Н. Квазиоптимальные алгоритмы обработки сигналов в многочастотной РСА // Радиотехника. - 2006. -№5.-С. 72-76.

63. Sergei P.S. Methods of constructing optimum phased - array antennas for limited field of view // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 1998. - Vol.40, №2. - C. 39-48.

64. Радиолокационные методы исследования Земли / Под ред. Ю.А. Мельника. - М. : Сов. Радио, 1980. 264 с.

65. Крылов М.М. Спектральные методы исследования и расчет ветровых волн. - М. : Судостроение, 1966. -255 с

66. М.И.Финкелыитейн. Основы радиолокации: учебник для вузов. Радио и связь, 1983.536 с.

67. П.А.Бакулев, радиолокационные системы: учебник для вузов. - М.Радиотехника, 2004. 375 с.

68. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М.Казаринова. : учебник для студ. Высш. 2008. - 592 с.

69. Теоретические основы радиолокации: учебник для вузов / А.А.Коростелев, Н.Ф.Клюев, Ю.А.Мельник и др.; Под ред. В.Е.Дулевича. Сов.радио,- 1978. 608 с.

70. Зондирующие радиолокационные сигналы. Баскаков.А.И, Лукашенко. Ю.И, Щернокова.Л.А / Под ред. А.Ф.Богомолова. - М.: Иэд-во МЭИ. 1990. -56 с.

71. В.И. Тихонов. Статистическая Радиотехника. Изд.Советское Радио. Москва. - 1968. 624 с.

72. Жуков.В.П. Статистические модели радиосигналов. / Под ред. Л.А.Разумова. -М.: Моск. Энерг. Ин-т. - 1985. 323с.

73. Жуков.В.П, Иванова.Н.Н. Радиотехнические сигналы. - М.: Иэд-во МЭИ. 1990. 131 с.

74. Хейн Тхура Аунг. Фазовый радиовысотомер с зондирующим сигналом с угловой модуляцией. //Тезисы Докладов. Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика. Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МЭИ. 25-26 февраля 2010 г. - М.: С- 143.

75. В. Е. Гмурман. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие для вузов. — 9-е изд., стер. — М.: Высш. шк. - 2003. 479 с.

76. Ушаков И.Е., Шишкин И.Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. — М.: РИЦ «Татьянин день», —1997. 264 с.