Delist.ru

Пассивно-активная радиометрия в дистанционных измерениях (07.09.2007)

Автор: Пелюшенко Сергей Анатольевич

Результаты диссертации опубликованы в 12 статьях в основных журналах, рекомендованных ВАК, 1 приглашенной статье в международном журнале, 32 статьях в трудах конференций, 3 препринтах, 3 научно-технических отчетах, 5 тезисах докладов научных конференций, автором получено 2 авторских свидетельства и патент на изобретение. Получено 2 сертификата Госстандарта РФ утверждения типа средств измерений на разработанные приборы «КТС-ПРМ» и «ПРИНТ-3». Без соавторов – 3 публикации и 1 авторское свидетельство. Все работы опубликованы после защиты кандидатской диссертации (июнь 1982 года). Всего по теме диссертации опубликовано 54 работы.

Личный вклад.

Результаты работ представленные в диссертации получены С.А. Пелюшенко лично или в соавторстве. В выполненных с соавторами работах автору принадлежит идея методов и разработка принципов построения устройств, постановка задачи, основные подходы и методы решения как в теоретической, так и в практической реализации. Большой объем экспериментальных и конструкторских работ не мог быть выполнен без поддержки специалистов широкого профиля, которые участвовали в составлении программ, численных расчетов, проведении экспериментов, обработке данных измерений, обсуждении результатов, разработке принципиальных схем радиометрической аппаратуры и измерительных комплексов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 206 страниц текста, включая иллюстрации и 101 ссылку на цитируемую литературу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность рассматриваемой темы диссертации, изложено современное состояние развития радиометрических методов радиофизических исследований окружающей среды и в технике антенных измерений, сформулированы цели данной работы, отмечена теоретическая и практическая значимость работы, приведены результаты, выносимые на защиту и личный вклад автора.

Глава 1 посвящена проведению анализа ограничений методов пассивной радиометрии при определении физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым радиационным контрастам и обоснованию развития направления пассивно-активной радиометрии с подсветкой широкополосным шумовым сигналом при проведении радиофизических исследований объектов окружающей среды.

. Отмеченные ограничения в ряде случаев носят принципиальный характер, что

Рис.1 существенно снижает возможности применения методов пассивной радиометрии при исследованиях окружающей среды и в антенных измерениях. Наиболее существенно эти ограничения проявляются при проведении радиометрических измерений в лабораторных условиях. Аналогичные ситуации существуют в длинноволновом диапазоне длин волн при наблюдениях объектов на фоне атмосферы за счет роста интенсивности распределенного фонового космического излучения. Определение физических параметров исследуемых объектов по наблюдаемым

радиационным контрастам в микроволновом диапазоне длин волн связано также с необходимостью учета технических характеристик приемной антенны и средств измерений. На основе результатов проведенного анализа обосновано развитие направления пассивно-активной радиометрии с подсветкой широкополосным шумовым сигналом при проведении радиофизических исследований объектов окружающей среды.

В Разд. 1.2 отмечено, что подсветка объекта широкополосным шумовым сигналом собственного теплового излучения окружающих предметов является одним из существенных сопутствующих факторов формирования радиационного контраста, который учитывается при проведении измерений физических характеристик объектов методами пассивной радиометрии. В исключительных случаях подсветка объекта мощным широкополосным шумовым сигналом собственного теплового излучения, например, радиоизлучением Солнца, использовалась при проведении измерений физических характеристик объекта.

Совершенствование СВЧ технологий и разработка промышленных электронных твердотельных генераторов широкополосного шумового сигнала в НИИ «Исток» положило основу развитию метода пассивно-активной радиометрии и его практического применения, которое было развито в прикладных работах сотрудников ИРЭ РАН Тищенко Ю.Г., Полякова В.М. и Калинкевич А.А., а также в работах сотрудников НИРФИ и ИПФ РАН для решения задач: , в измерениях

Развитие технологии СВЧ генераторов шумового сигнала с высокой спектральной плотностью мощности положило основу развитию метода пассивно-активной радиометрии и его практического применения, которое было развито в прикладных работах сотрудников ИРЭ РАН Тищенко Ю.Г., Полякова В.М. и Калинкевича А.А., а также в работах сотрудников НИРФИ и ИПФ РАН для решения прикладных задач: дистанционных измерений параметров антенн, в медицинской диагностике, в исследованиях внутренней структуры пространственно неоднородных сред и при подповерхностном зондировании.

сигналов справедливо радиолокационное уравнение дальности выраженное в терминах, принятых в пассивной радиометрии:

Рассмотрены предельные ограничения различных схемных решений систем пассивно - активной радиометрии и показано, что в однопозиционной схеме подсветки невозможно реализовать в полной мере потенциально высокий потенциал при дистанционном зондировании и при проведении антенных измерений за счет принципиальных ограничений на предельно достижимые технические характеристики СВЧ узлов, которые обеспечивают включение генератора подсветки в входной СВЧ тракт.

По результатам проведенного анализа показано, что пассивно-активная радиометрическая система имеет ту же дальность действия, как и традиционная РЛС, но при существенно меньшей спектральной плотности мощности зондирующего сигнала.

Проведены оценки потенциала систем пассивно-активной радиометрии по дальности действия и точности дистанционных измерений физических характеристик объектов как в однопозиционной, так двухпозиционной схеме дистанционного зондирования. Представлены результаты исследований аппаратурных ограничений систем пассивно-активной радиометрии по точности измерений, и выработаны рекомендации технических решений приборов для одновременных измерений в режиме пассивной радиометрии и в пассивно - активно режимах в технике антенных измерений и в прикладных исследованиях.

Глава 2 посвящена развитию метода пассивно-активной радиометрии в области прикладных дистанционных исследованиях отражательных характеристик объектов и в технике измерений характеристик антенн.

В Разд. 2.1 рассмотрены особенности метода пассивно-активной радиометрии и аппаратуры для измерений коэффициента отражения радиопоглощающих материалов, в том числе эталонных дисков, в установках абсолютной калибровки усиления антенн по методу «искусственной» Луны.

Рис.4 Задача измерений коэффициента отражения радиопоглощающего покрытия «черного» диска технически решается при использовании однопозиционной схемы пассивно-активной радиометрии (рис.4). В однопозиционной схеме пассивно - активной радиометрии в режиме измерений коэффициента отражения

«черный» диск подсвечивается через приемо-передающую антенну модулированным шумовым сигналом в рабочей полосе частот измерительного радиометра. Коэффициент отражения определяется при этом непосредственно по величине эхо-сигнала, отраженного «черным» диском и принятого той же антенной. Одним из достоинств данного метода является то, что в составе измерительной установки используется штатная антенна и штатный радиометрический приемник со встроенной системой подсветки шумовым сигналом.

Здесь же представлены результаты разработки аппаратуры (рис.5),

Рис. 6 реализующий метод пассивно–активной радиометрии при измерениях коэффициента отражения многослойных сред типа воздух-диэлектрик – вода, результаты которых (рис.6) свидетельствуют о высокой точности и эффективности метода пассивно-активной радиометрии при исследованиях физических характеристик двухслойных сред.

Данный метод внедрен при исследованиях излучательных характеристик протяженных неоднородных сред и биологических объектов.

Разд. 2.2 посвящен развитию метода и приборов пассивно-активной радиометрии при проведении измерений эффективной площади и диаграммы направленности антенн.

, излучаемой исследуемой антенной, с уровнем мощности эхо-сигнала, отраженного плоским диском - стандартом эффективной поверхности рассеяния, расположенным в дальней зоне исследуемой антенны (рис. 7). При выборе размеров отражающего диска, в соответствии с выработанными рекомендациями, эффективная площадь антенны

Рис.7.

определяется из простого соотношения:

- угловые размеры эталонного диска. Представлены результаты апробации метода пассивно-активной радиометрии при проведении абсолютных измерений эффективной площади радиотелескопа РТН-7 по величине эхо-сигнала от эталонного отражателя, которые показали, что абсолютная точность измерений эффективной площади антенн сопоставима с точностью измерений по методу «искусственной» Луны.

Проведены исследования возможностей метода пассивно-активной радиометрии при измерениях диаграммы направленности антенны. Результаты исследований показывают, что метод пассивно - активной радиометрии существенно расширяет возможности радиометрических методов при измерениях параметров антенн и не имеет ограничений по частотному диапазону. Проведено теоретическое обоснование определения параметров диаграммы направленности при сопоставимых размерах ширины главного лепестка диаграммы направленности и размеров эталонного источника. Данный результат имеет практическое значение при исследованиях параметров диаграммы направленности больших антенн методом пассивно-активной радиометрии, так как позволяет выбирать максимальные размеры эталонного отражателя, исходя из требований к величине эхо-сигнала для достижения высокой точности измерений.

Глава 3 посвящена развитию радиометрического метода поляризационных контрастов для измерений характеристик радиоизлучения многослойных структур на водной поверхности.

В Разд. 3.1 представлен обзор известных радиометрических методов исследований по обнаружению разливов нефти на поверхности воды по результатам измерений интенсивности радиоизлучения водной поверхности методом радиационных контрастов и методом спектрального анализа.

В Разд. 3.2 на основе анализа поляризационных характеристик излучения водной поверхности показано, что метод поляризационных контрастов позволяет исключить влияние неопределенности параметров антенн и вариации метеоусловий на результаты дистанционного измерения физических параметров пленок нефти в разливе на поверхности воды. На основе проведенного анализа условий формирования радиационных поляризационных контрастов от пленок нефти выработаны рекомендации по техническому решению приборов микроволнового диапазона для исследования характеристик излучения водной поверхности и определения физических параметров разливов нефти, которые были воплощены в промышленных приборах экологического мониторинга «КТС ПРМ-Н» и «ПРИНТ-3».

Глава 4 содержит описание автоматизированного поляризационного радиометрического комплекса, разработанного для исследований характеристик радиоизлучения водной поверхности. Приведены результаты исследований поляри-

Рис. 8 зационных характеристик излучения водной поверхности с пленкой нефти на длинах волн 8.8 и 24.6 мм и определения на их основе толщины пленки нефти на поверхности воды рис.8, которые свидетельствуют о высокой эффективности метода поляризационных контрастов в широком диапазоне изменений метеоусловий.

В заключении обобщены основные результаты, полученные в диссертации, приводятся области применения методов пассивно - активной радиометрии и приводятся результаты, выносимые на защиту.

Основные результаты:

1. Развит и обоснован пассивно-активный радиометрический метод исследований окружающей среды с подсветкой исследуемых объектов широкополосным шумовым сигналом, который позволяет существенно расширить область применения дистанционного радиометрического зондирования.

На основе данных анализа условий формирования сигналов от объектов при радиотеплолокации показано, что этот метод имеет принципиальные ограничения применения в микроволновом диапазоне длин волн вблизи линий поглощения атмосферных газов и в длинноволновом диапазоне при высоком фоне космического излучения

Показано, что активная подсветка исследуемых объектов внешним широкополосным шумовым сигналом – метод пассивно-активной радиометрии позволяет исключить или же существенно снизить ограничения метода пассивной радиометрии (в том числе в условиях закрытых помещений и ограниченных полигонов).

загрузка...