WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

«РАДИОЛОКАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ С БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА ...»

На правах рукописи

СМИРНОВ Евгений Павлович

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ

С БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА

Специальность 05.12.14 – «Радиолокация и радионавигация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук



Москва – 2014

Работа выполнена на кафедре радиотехнических приборов федерального

государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ») кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

ЛУКАШЕНКО Юрий Иванович

Официальные оппоненты: КОТОВ Александр Федорович, доктор технических наук, профессор, профессор МГТУ МИРЭА КОВАЛЕНКО Александр Иванович, кандидат технических наук, начальник отдела по разработке радиолокационных комплексов космического базирования ОАО «НИИ ТП»

ОАО «Военно-промышленная корпорация

Ведущая организация:

«Научно-производственное объединение машиностроения» (г. Реутов)

Защита диссертации состоится «06» марта 2014 года, в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «30» января 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.05 Т.И. КУРОЧКИНА кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В связи с развитием проектов разработки нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе России актуальной становится проблема контроля морских ледовых полей непосредственно в районе буровых платформ. Для наблюдения за ледовыми покровами широко применяются радиолокационные станции (РЛС) с синтезированием апертуры антенны (РСА) самолетного и космического базирования. При этом интенсивно развиваются радиолокационные интерферометрические методы построения высотной топографии подстилающей поверхности. Однако, известные аэрокосмические методы не обеспечивают требуемой точности и оперативности поступления важнейшей информации о ледовых полях в районах буровых платформ, а именно, их степени торосистости, толщины, скорости и направлении дрейфа. Без этой информации невозможна безопасная эксплуатация морских арктических месторождений. Особенно остро стоит задача разведки ледовой обстановки в районах эксплуатации нефтегазовых объектов с использованием радиолокационных комплексов морского базирования одновременно с аэрокосмическими системами. Быстро разворачиваемые, гораздо более дешевые и более точные по сравнению с космическими и авиационными системами, радиолокационные комплексы морского базирования позволяют эффективно решить задачу непрерывного мониторинга небольших близлежащих пространств.

Следует отметить, что в настоящее время предпочтение при решении задач контроля ледовой обстановки отдается, в основном, аэрокосмическим методам.

В то же время информация о методах интерферометрической радиолокационной оценки ледовой обстановки с морских нефтедобывающих буровых платформ или с берега в научно-технической литературе практически не встречается.

Таким образом, на современном этапе развития радиолокационных методов оценки ледовой обстановки одной из важнейших научных задач, является непрерывное, в любых метеоусловиях формирование цифровой модели рельефа (ЦМР) ледового поля с высокой точностью, а также оценка скорости и направления его движения. Данная информация, благодаря использованию известных эмпирических соотношений высоты рельефа ледового поля над уровнем моря, его толщины и рельефа подводной части, может использоваться для качественной оценки состояния, толщины и потенциальной опасности ледовых полей.

Степень разработанности проблемы Серьезный вклад в развитие теории РЛС бокового обзора и РСА для задач оценки ледовой обстановки внесли такие известные ученные, как Ю.А. Мельник, П.И. Дудник, М.И. Финкельштейн, А.И. Калмыков, Л.М. Митник, J.D. Johnson, R. D. Ketchum, L. D. Farmer, V. H. Anderson, A. Biache, C. A. Bay, R. Bradie, R. T.





Lowry, J.F. Vesecky, B. Holt и др. В первую очередь благодаря их усилиям были созданы радиолокационные комплексы оценки ледовой обстановки, разработанные в рамках: отечественной программы «Океан» (КА «Космос-1500», «Океан»

и др.), программы европейского космического агентства «ERS-1» и «ERS-2», японской программы «JERS-1», американских программ «STAR-1», «LANDSAT», «SEASAT», канадской миссии «RADARSAT-1, 2» и др.

Развитие получили методы построения высотной топографии, которые используют пару радиолокационных изображений для построения высокоточной карты высот рельефа с помощью алгоритмов измерения интерферометрической разности фаз (ИРФ) сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы. Данное направление развивали такие ученые, как А.И. Захаров, Л.Б. Неронский, R. M. Goldstein, H. A. Zebker, S. N. Madsen, М. A. Richards, C.

V. Jakowatz, W. G. Carrara, W. G. Goodman, S. H. Zisk, L. C. Graham и др. Результатом проведенных исследований и разработок стали такие комплексы, как отечественный РСА для малого космического аппарата «Кондор-Э», GLISTIN (США), CCRS C/X SAR (Канада), SRTM (США), RTV (США), IFSARE/STARi (США), ENVISAT ASAR (Европа) и др. Таким образом, развитие теории и принципов построения РЛС оценки ледовой обстановки позволило создать высокоэффективные комплексы авиационного и космического базирования, способные решать задачи получения детального рельефа ледовой поверхности с достаточно высокой пространственной разрешающей способностью (на уровне 0,45...2 м для авиационных и 6...8 м для космических систем) и точностью (порядка единиц метров) при боковом и переднебоковом обзорах.

Направление, связанное с применением интерферометрических комплексов наземного базирования, было исследовано такими учеными, как G. Luzi, C.

Werner, D. Tarchi, A. Martinez-Vazquez и др. Из интерферометрических комплексов наземного базирования можно выделить «GRPI» (Швейцария), который был разработан для мониторинга состояния поверхности гор и ледников.

В настоящее время не разработаны полноценные средства радиолокационной оценки ледовой обстановки морского базирования. Отсутствуют представления о требуемых параметрах РЛС, предпочтительных для решения задачи обеспечения безопасной эксплуатации буровых платформ арктического шельфа, о наборе задач, которые может решить радиолокационный комплекс.

Таким образом, в настоящие время требуется решить задачу получения детального рельефа ледовой поверхности при работе РЛС по настильным траекториям (РЛС морского базирования).

В интерферометрической радиолокации наиболее эффективно используется информация, содержащаяся в пространственно-временном сигнале, что позволяет по ИРФ сигналов, приходящих с разнесенных в пространстве антенн системы, оценить распределение топографических высот отражающих элементов неровностей поверхности и построить ЦМР, исследовать пространственнораспределенные процессы и их проявления во времени.

Цель диссертации В диссертационной работе поставлена цель – разработать эффективный метод радиолокационной оценки ледовой обстановки с буровых платформ арктического шельфа, методы и алгоритмы обработки сигналов при решении задач получения ЦМР и скоростей ледовых полей для оценки ледовой опасности.

Задачи, требующие исследования

Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Формулировка, анализ и обоснование принципов построения радиолокационного комплекса высокоточной оценки ледовой обстановки морского базирования и научно обоснованных технических требований к такому комплексу, использующему сложные сигналы, предназначенному для дистанционного зондирования морской и ледовой поверхности, формирования высокоточной ЦМР и оценки скоростей исследуемой поверхности.

2. Определение ключевых параметров радиолокационного комплекса морского базирования и разработка методов их оптимизации с целью повышения точности измерения рельефа.

3. Анализ современных подходов к решению вопроса получения из пары радиоизображений высокоточной карты рельефа с использованием методов фазовой интерферометрии, демонстрация возможностей методов разворачивания фазы для исключения неоднозначности измерений. Разработка алгоритма получения ЦМР по интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы радиолокационного комплекса морского базирования.

4. Разработка структуры и математических моделей отраженных сигналов от априорно неизвестного ледового рельефа. Анализ характеристик разработанных алгоритмов с демонстрацией возможностей радиолокационного комплекса с помощью имитационного моделирования.

Методы исследования При решении поставленных в диссертационной работе задач был использован современный математический аппарат статистической теории радиолокации, теории оптимальной фильтрации и радиофизики. Проверка эффективности разработанных алгоритмов проводилась с использованием имитационного моделирования в программно-математической среде «Matlab».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Проведен анализ решаемых радиолокационным комплексом оценки ледовой обстановки морского базирования задач, объектов наблюдения и обоснованы параметры комплекса. Впервые предложена концепция использования интерферометрической РЛС морского базирования для решения задач оценки ледовой обстановки при настильном зондировании.

2. Разработан способ реализации высокоточной радиолокационной оценки ледовой обстановки, использующий два режима работы радиолокационного комплекса морского базирования, один из которых одновременно оценивает дальность, скорость и направление дрейфа ледовых полей, а другой формирует ЦМР.

3. Проанализированы основные соотношения, определяющие параметры радиолокационного комплекса, и предложена методика их оптимизации с целью повышения точности измерения рельефа.

4. Исследованы известные алгоритмы двумерного разворачивания фазы, проведен их оригинальный сравнительный анализ для применения в радиолокационном комплексе морского базирования, и на их базе разработан алгоритм разворачивания интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны радиолокационной системы.

5. Проведен сравнительный анализ эффективности применения сложных сигналов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазовой манипуляцией (ФМн) в интерферометрическом режиме работы радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки морского базирования, который показал предпочтительность использования ЛЧМ сигнала.

6. Разработаны математические модели отраженных от ледовой поверхности сигналов для радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки в условиях априорно неизвестного рельефа зондируемой поверхности, ориентированные на проверку разработанных алгоритмов построения ЦМР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Радиолокационный комплекс морского базирования, использующий поочередно интерферометрический режим и режим одновременного измерения дальности, скорости и направления дрейфа ледовых полей, может эффективно решать задачи оценки ледовой обстановки.

2. Алгоритм интерферометрической обработки в радиолокационных комплексах морского базирования для решения задач оценки ледовой обстановки путем анализа ЦМР.

3. Методика определения оптимальных параметров радиолокационного комплекса морского базирования с целью повышения точности измерения рельефа.

4. Сигналы с ЛЧМ в связи с низким интегральным уровнем боковых лепестков и низкой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом зондирующих сигналов (ЗС) для решения задач разностно-фазовой интерферометрии. В то же время сигналы с фазовой псевдослучайной манипуляцией в связи с высокой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки скорости движения ледовых полей и могут быть использованы в разработанном алгоритме оценки скорости ледовой поверхности.

5. Принципы построения и технология использования программноматематических пакетов для моделирования, анализа и обработки пространственно-временных сигналов, предназначенных для внедрения новых алгоритмов интерферометрической обработки, совмещенных с алгоритмами оценки дальности и скорости ледовых полей при решении задач оценивания ледовой обстановки.

Достоверность научных положений подтверждается совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, имеющимися в литературе, отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и результатами проведенного имитационного моделирования, апробацией диссертационной работы на научно-технических конференциях и публикациями автора, одобренными научной общественностью.

Практическая ценность результатов диссертационной работы:

1. Совместное применение интерферометрического режима и режима одновременного измерения скорости и дальности в радиолокационных комплексах морского базирования позволит повысить безопасность работы буровых платформ арктического шельфа.

2. Предложены и оптимизированы основные параметры радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки.

3. Разработаны алгоритмы обработки сигналов радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки, пригодные для реализации на существующей элементной базе. Разработан действующий макетный образец цифрового устройства обработки и формирования сигналов, проведены его приёмочные испытания.

4. Сформированы принципы построения и разработана технология использования программно-математических пакетов для моделирования, анализа и обработки пространственно-временных сигналов, предназначенных для внедрения новых алгоритмов интерферометрической обработки, алгоритмов одновременной оценки дальности и скорости при решении задач оценки ледовой обстановки.

Практическая направленность диссертационной работы заключается в обосновании структуры, состава радиолокационного комплекса высокоточной оценки ледовой обстановки морского базирования и алгоритмов обработки информации. Реализация результатов диссертационной работы проводилась на кафедре РТП «НИУ «МЭИ» в рамках проектирования и создания новых радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки (ОКР «Разработка технического проекта и действующего макетного образца системы высокоточной оценки ледовой обстановки с применением сверхширокополосных, наносекундных радиолокационных технических средств» шифр «Панцирь-2», НИР «Разработка радиолокационных методов дистанционного зондирования и мониторинга морской поверхности и ледовой обстановки для обеспечения безопасности разработки новых энергоэффективных северных морских месторождений углеводородов и их добычи»). По итогам диссертационной работы получен акт о внедрении результатов от промышленной организации ОАО «НПП «Салют». Разработанные в диссертации алгоритмы обработки сигналов использовались в перечисленных работах в качестве базовых при разработке специализированного программно-математического обеспечения.

Апробация результатов диссертационной работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011 и 2012), «Наука и образование» (г. Мурманск, 2012), Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ РАН (г. Москва, 2012), «Цифровая обработка сигналов и ее применение – DSPA’2013» (г. Москва, 2013).

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах, среди которых три статьи (две – в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК РФ), а также в материалах шести научно-технических конференций. Материалы диссертации изложены в 4 научно-технических отчетах по НИР и ОКР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 131 наименование. Работа изложена на 236 страницах машинописного текста, включая два приложения на 21 странице, содержит 101 рисунок и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, обоснована важность и необходимость применения радиолокационного комплекса морского базирования для проведения оценки ледовой обстановки, проведен обзор комплексов и методов оценки ледовой обстановки. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, обозначены объект и предмет исследований, изложены методы исследований, представлены научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Сформулированы основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе проводится анализ объектов наблюдения при дистанционном зондировании поверхности Земли в арктическом регионе радиолокационным комплексом оценки ледовой обстановки, способным эффективно решать такие задачи как определение динамики ледовых покровов, обеспечение оперативности поступления геопространственной информации о ледовых покровах.

Основным объектом наблюдения при дистанционном зондировании Земли в арктическом регионе является морской лед, айсберги и морская поверхность.

При росте и разрушении льда условия на его поверхности и в толщине постоянно изменяются, что предопределяет разнообразие рельефа, форм шероховатости и наличие торосов. Торосы являются характерной особенностью ледовой поверхности в арктическом регионе. Торосы образуются при сжатии битого льда, который выдавливается на поверхность более ровного окружающего ледового покрова и в воду, образуя подводную и надводную части торосов, которые называются килем и парусом. Торосы могут играть роль якорей при внедрении их в морское дно, обеспечивая устойчивость припайных льдов. Припайные льды являются препятствием при движении судов в шельфовой зоне, значительно увеличивая прочность ледового покрова. Для подводных трубопроводов представляют опасность кили торосов, воздействие которых может привести к их пробою. Степень всторошенности ледовых полей, окружающих буровые платформы, и размеры консолидированного слоя льда внутри торосов определяет ледовые нагрузки на буровые платформы.

В силу вышеизложенных причин задача определения пространственных параметров торошения была определена как основная при проведении оценки ледовой обстановки. В главе приводятся известные из литературы эмпирически полученные соотношения высоты паруса и глубины киля торосов относительно уровня моря и их ширины (см. рис.

1):

hk Lr =4,4, =15,1, (1) hs hs где hs и hk - высота паруса и глубина киля тороса соответственно, Lr - ширина тороса.

Также существует зависимость высоты паРис. 1.

Осредненная форма руса и глубины киля торосов от толщины вертикального сечения гряды кусков льда, из которых сложены торосы:

торосов = 5,24, = 15,2. (2) Проведенные исследования пространственных характеристик торосов позволяют сделать следующий вывод: для получения необходимой пространственной информации о торосах достаточно измерения высоты торосов относительно уровня моря, что позволит радиолокационному комплексу, использующему методы разностно-фазовой интерферометрии, эффективно решить задачу оценки ледовой обстановки.

Загрузка...

Помимо всторошенной ледовой поверхности в арктическом регионе присутствуют айсберги, представляющие опасность для буровых платформ. Задача обнаружения, определения пространственного положения и скорости айсбергов является более простой по сравнению с задачей измерения торосов в связи с их существенными размерами.

Описанные выше объекты наблюдения для радиолокационного комплекса представляют собой поверхностно-распределенные цели, а величины отраженных сигналов зависят от удельной эффективной площади рассеивания (УЭПР) наблюдаемой поверхности. Величина УЭПР спокойной морской поверхности при настильных углах зондирования имеет весьма малую величину, порядка – 56 дБ (для длины волны 8,6 мм). Согласно экспериментальным данными УЭПР шероховатого, всторошенного льда и айсбергов лежит в пределах от 0,05 до 1,2.

Значительное возрастание УЭПР можно объяснить совокупным действием эффекта фокусировки отражений от различных блестящих точек объекта.

Проведенные исследования позволяют сделать следующий вывод: для корректной оценки ледовой обстановки необходима пространственная информация о ледовых полях, такая как: дальность, скорость, направление дрейфа и высота неровностей рельефа.

Глава завершается формированием концепции радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки и тактико-технических требований к нему.

Вторая глава посвящена принципам построения высокоточной карты высот неровностей рельефа с использованием методов разностно-фазовой интерферометрии. Выведены основные соотношения согласно геометрии визирования, изображенной на рис. 2:

( + ), = sin (arccos ( ) ), (3) где - разность хода лучей, – размер базы, – угол места, – угол наклона базы, - высота рельефа местности, – высота ведущей интерферометрической антенны и – наклонная дальность.

Рельеф местности определяется по разности хода лучей согласно (3), которую можно измерить по интерферометрической разности фаз эхо-сигналов, приходящих с разнесенных в пространстве на величину антенн 1 и 2. Антенна 1 работает на излучение и приём, а 2 работает только на приём.

Ошибка определения высоты рельефа пропорциональна ошибке измерения и определяется следующим выражением:

|| ( ) |()|, (4) ( + )

–  –  –

зультирующей ЦМР используются ИРФ соседних элементов, давая тем самым относительное изменение значения высоты рельефа:

h(x1, y1 ) h(x2, y2 ) (A1A2 (x1, y1 ) A1A2 (x2, y2 )).

(7) Для получения абсолютных значений высот рельефа необходимо выбрать опорную точку (x0, y0 ), относительно которой ((x0, y0 ) = hr ) значения высот рельефа других точек будут абсолютными:

(, ) = hr + (A1A2 (х, у) A1A2 (х0, у0 )) (8) Если значение hr определено точно, то - это ЦМР с абсолютными значением высоты рельефа. Если условно принять значение hr =0, тогда с помощью выражения (8) будет получена ЦМР с относительной высотой рельефа.

Сформированная в результате ЦМР позволит проводить обнаружение изменений поверхности между съемками и оценивать скорость движущихся объектов.

Процесс построения ЦМР сильно затрудняют фазовые шумы, так как выбросы фазовых шумов могут быть случайно приняты за изменение рельефа, либо само изменение рельефа может быть подавлено шумом.

Источниками ошибок при проведении интерферометрических измерений может быть интерферометрическая декорреляция, наложение и затенение радиоизображений при работе по подстилающей поверхности, боковые лепестки диаграммы направленности антенны (ДНА) и двумерной автокорреляционной функции ЗС, шумы приёмопередающих устройств, ошибки калибровки и ошибки, связанные с флуктуацией электрической длины пути сигнала РЛС. Глава заканчивается анализом источников ошибок и их влияния на точность измерения высоты рельефа.

Третья глава посвящена разработке аппаратно-алгоритмических решений для радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки морского базирования. В связи с высокой стоимостью и сложностью систем с электронным сканированием луча ДНА, в диссертации предложено сканировать пространство по азимуту механически, а по углу места вся исследуемая поверхность зондируется одним лучом.

Требования, выдвинутые в первой главе к точности измерения рельефа ледовой поверхности (не хуже 5 см), являются наиболее труднодостижимыми.

Потенциально данное требование может быть выполнено интерферометрическим комплексом, работающим по принципам, описанным во второй главе, но при условии оптимально выбранных параметров комплекса, которые бы минимизировали ошибку измерения высоты рельефа.

При определении высоты рельефа систематические составляющие погрешностей величин в выражении (3) должны компенсироваться. Поэтому основное внимание уделяется погрешности, связанной со среднеквадратичной оценкой ИРФ.

Реальная поверхность является распределённой радиолокационной целью, в этом случае, обычно используется феноменологическая модель из набора большого количества независимых отражателей внутри элемента разрешения с автокорреляционной функцией (,, ) (,, ) = 0. (,, )(,, ), (9) где - осреднение по ансамблю случайных отражений, () - комплексная функция рассеяния, 0. - объёмная удельная эффективная площадь рассеивания (УЭПР), () - дельта функция.

Объемные функции рассеяния (,, ) и (,, ) являются идентичными и получены одновременно. Предположение о дельта-коррелированности отражений не противоречит теории отражения, которая применяется к поверхностям, чья среднеквадратичная высота неровности намного больше, чем длина волны.

Следовательно, в каждом приёмнике интерферометра мы имеем когерентные сигналы 1 и 2, определяемые следующими выражениями 1 (0, 0 ) = (,, ) 1 (10) ( 0 ) (1 0 ) + 1 ) 2 (0 + +, 0 + ) = (,,

–  –  –

(15) =, 20 (0 )

–  –  –

Рис. 4. Зависимость среднеквадратичной погрешности оценки ординат неровностей рельефа от различных длин баз (=1 дБ, =30 м, =90°, =1 м, N=16, ширина ДНА в азимутальной плоскости – 0,25°) погрешность оценки ординат неровностей рельефа, м Среднеквадратичная

–  –  –

Размер антенной базы, м Рис. 5. Зависимость среднеквадратичной погрешности оценки ординат неровностей рельефа от различных длин баз и несущих частот (=1 дБ, =30 м, =90°, =1 м, N=16, ширина ДНА в азимутальной плоскости – 0,25°) Особое внимание уделено выбору ЗС для радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки. Проведен сравнительный анализ эффективности применения сложных ЛЧМ и ФМн сигналов при проведении интерферометрической съёмки и оценки скорости движения ледовых полей на примере сигналов, которые имеют длину 1023 отсчет при длительности элементарного дискрета ФМн сигнала и девиации частоты ЛЧМ сигнала обеспечивающих разрешение на поверхности 1 м. Пиковый уровень боковых лепестков невзвешенного ЛЧМ сигнала и ФМн с кодовой М последовательностью максимальной длины равен -13,2 дБ и -28,6 дБ соответственно. Также был подсчитан интегральный уровень боковых лепестков эхо-сигналов, который составил -9,7 дБ и -4,8 дБ соответственно. Сигналы с ЛЧМ, в связи с низким интегральным уровнем боковых лепестков и низкой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты, являются предпочтительным видом ЗС для решения задач разностнофазовой интерферометрии. В то же время сигналы с фазовой псевдослучайной манипуляцией в связи с высокой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки дальности и скорости движения ледовых полей.

Как было отмечено выше, для проведения интерферометрических измерений предлагается использовать ЛЧМ сигнал. Интерферометрическая обработка начинается после сжатия и когерентного накопления (усреднения) эхосигналов. Отличительной особенностью комплексов морского базирования, по сравнению с космическими и авиационными комплексами, является достаточно низкие значения угла места, а также ярко выраженная прямоугольная форма пикселей радиоизображений, вытянутых в азимутальной плоскости.

При дискретизации пространства с достаточно большим соотношением количества элементов по одной координате к количеству элементов по другой становится практически невозможным двумерное разворачивание фазы из-за недодискретизации одного из направлений. В связи с этим в диссертации разработан алгоритм разворачивания фазы по критерию минимума суммы квадратов ошибки, ориентированный на практическую реализацию при помощи дискретного косинусного преобразования. Данный алгоритм получен путем модификации двумерного метода наименьших квадратов.

Показано, что разворачивание фазы является одним из наиболее сложных этапов интерферометрической обработки. Не существует оптимального решения проблемы свернутой фазы для всех случаев, следует учитывать как особенности интерферограмм, так и особенности постановки задачи: допустимость искажений, допустимость наличия «пустых» областей, и т.д. В связи с этим, для оценки достоверности пространственно-временной информации о рельефе ледовой поверхности, предлагается поочередно использовать два режима работы радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки. В первом режиме формируется ЦМР и оценивается скорость ледовых полей по подвижкам рельефа между съёмками.

Во втором режиме оценивается одновременно скорость по величине доплеровского сдвига частоты и дальность по времени прихода эхо-сигнала. Сформированные двумя независимыми способами карты скоростей ледовых полей могут служить средством подтверждения достоверности получаемых данных.

Для решения задачи определения скорости ледовых полей по величине доплеровского сдвига частоты с разрешающей способностью 0,2 м/с в пределах от 0 до 2,2 м/с в диссертации было предложено использовать 12 фильтров сжатия (ФС) с применением алгоритма «быстрой свёртки». Опорная функция каждого из ФС рассогласована по доплеровской частоте на величину, соответствующую скорости цели 0,2 м/с. Требуемая разрешающая способность по скорости достигается путем когерентного накопления 128 периодов ФМн сигнала. Период повторения зондирующих импульсов соответствует рабочей дистанции равной 22 км.

Скорость дрейфа ледового поля в данных условиях проще определить путем фиксации номера канала накопления когерентных импульсов, в котором сжатые сигналы дают максимум в дискрете по дальности. Описанный выше алгоритм позволяет осуществить параллельное сравнение результатов пороговой

–  –  –

Рис. 6. Структурная схема РЛС оценки ледовой обстановки, где АП – антенный переключатель, ПГВ – привод горизонтального вращения, МШУ – малошумящий усилитель, УМ – усилитель мощности, ФД –фазовый детектор, АЦП –аналогово цифровой преобразователь, ЗС – зондирующий сигнал, ЦФС – цифровой фильтр сжатия В четвертой главе приводятся результаты имитационного моделирования разработанных алгоритмов обработки отраженных эхо-сигналов.

В имитационной модели проведено сравнение эффективности использования ЛЧМ и ФМн сигналов для решения задач разностно-фазовой интерферометрии, показавшее неприемлемость применения ФМн сигналов в интерферометрических схемах наблюдений. Пусть сравниваемые ЗС имеют базу сигнала 1023 и ширину полосы ЗС 150 МГц. На рис. 7 приводятся графики расчетной и полученной в имитационной модели ИРФ сигналов с ЛЧМ и ФМн (М код длительностью 1023 отсчета), отраженных от в среднем плоского рельефа, приходящих на разнесенные в пространстве на 7 м антенны РЛ системы, согласно геометрии изображенной на рис. 2 (H=32 м, =90°, несущая частота - 35 ГГц).

А также график фазовых ошибок, полученный путем вычисления разности между смоделированной и расчетной ИРФ. Длина рабочей дистанции - 2046 разрешаемых элементов.

В главе приведены результаты имитационного моделирования многоканального алгоритма оценки скоростей ледовых полей с М кодом в качестве ЗС, которые подтвердили его работоспособность. А также приведены результаты приёмочных испытаний устройства цифровой обработки и формирования сигналов.

а) б) в) г) Рис. 7. ИРФ расчетная (жирным) и смоделированная (а) и фазовая ошибка (б) при использовании ЛЧМ в качестве ЗС и ФМн сигнал с М кодом (в)-(г) Результаты имитационного моделирования интерферометрической обработки эхо-сигналов, отраженных от ледовой поверхности с заданным рельефом (см. рис. 8), приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы, согласно геометрии визирования, изображенной на рис. 2 (B=7 м, H=37 м, =90°, ширина ДНА в азимутальной плоскости – 0,25° и в угломестной - 3°, шаг сканирования по азимуту – 0,25°, полоса ЗС - 150 МГц, несущая частота - 35 ГГц), представлены на рис. 9.

Имитационное моделирование подтвердило работоспособность разработанных в диссертации алгоритмов.

В заключении приводятся следующие основные выводы по результатам выполненных исследований:

1. Впервые предложено применять методы построения высотной топографии, которые используют пару радиолокационных изображений для формирования высокоточной карты высот рельефа с помощью алгоритмов измерения интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы, для проведения оценки ледовой обстановки радиолокационным комплексом морского базирования.

–  –  –

2. Показано, что радиолокационная интерферометрия является эффективным методом измерения рельефа ледовых полей даже при работе по близким к настильным траекториям. Сантиметровая точность измерений достигнута с помощью разработанной методики оптимизации параметров радиолокационного комплекса.

3. Имитационные модели радиолокационного комплекса, учитывающие факторы топографического характера, позволят отлаживать и проверять алгоритмы обработки отраженных от ледовой поверхности эхо-сигналов в условиях априорно неизвестного рельефа зондируемой поверхности.

4. Сигналы с ЛЧМ являются предпочтительным видом ЗС для решения задач разностно-фазовой интерферометрии, что подтверждено моделированием отражений от подстилающих покровов. В то же время сигналы с ФМн, в связи с высокой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты, являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки дальности, скорости и направления дрейфа ледовых полей.

5. Использование двух режимов работы радиолокационного комплекса, один из которых одновременно оценивает скорость и дальность, а другой формирует ЦМР, позволяет иметь два источника информации о скорости движения ледовых полей, что может служить средством подтверждения достоверности получаемых данных о ледовой обстановке.

6. Проверка разработанных алгоритмов в имитационных моделях подтвердила работоспособность оценивания ординат неровностей рельефа, скорости и дальности ледовой поверхности.

В Приложение 1 вынесен исходный текст программы, демонстрирующий работу алгоритма Голдштейна-Зебкера-Вернера в среде «Matlab». В Приложение 2 вынесен исходный текст программы, демонстрирующий работу двумерного метода наименьших квадратов в среде «Matlab».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Смирнов Е.П. Реализация многоканального устройства цифровой обработки сигналов для комплекса оценки ледовой обстановки// Вестник МЭИ, 2013, №4. – С. 124-129.

2. Смирнов Е.П., Баскаков А.И., Лукашенко Ю.И. Радиолокационный комплекс морского базирования для оценки ледовой обстановки. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. N12. URL:

http://jre.cplire.ru/jre/dec13/9/text.pdf.

3. Смирнов Е.П. Реализация алгоритмов цифровой обработки эхо сигналов радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки на плис ALTERA// Доклады 15-ой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA-2013, Москва). — М.: РСНТОРЭС им. А.С.Попова,

2013. Т.1, С. 291-295.

4. Смирнов Е.П., Лукашенко Ю.И. Повышение эффективности передачи данных между ПЛИС и ПК// Радиотехнические тетради. 2011. № 46. С. 28-32.

5. Смирнов Е.П., Баскаков А.И., Исаков М.В., Лукашенко Ю.И. Радиолокационные методы обнаружения опасных ледовых полей в районах нефтегазодобычи на шельфах арктических морей// Сборник докладов VI Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». — Москва: JRE - ИРЭ им.

В.А.Котельникова РАН, 2012. — Т. 2. — С. 302-303.

6. Лукашенко Ю.И., Смирнов Е.П. Дистанционный контроль характеристик морских арктических ледовых полей при разработке шельфовых нефтегазовых месторождений // Матер. междунар. научно-техн. конф. «Наука и образование – 2012». - Мурманск: Мурманский гос. тех. ун-т, 2012. С. 1133-1137.

7. Смирнов Е.П., Лукашенко Ю.И. Метод повышения эффективности корабельных РЛС за счет точного измерения радиальной и тангенциальной скорости// Сборник тезисов докладов конференции РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. — М.: Издательский дом МЭИ, 2011. — Т. 1. — С. 180.

8. Смирнов Е.П., Лукашенко Ю.И. Оптимальные методы организации непрерывной передачи радиолокационной информации между ПЛИС и ПК// Сборник тезисов докладов конференции РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. — М.: Издательский дом МЭИ, 2012. — Т. 1. — С. 121.

9. Смирнов Е.П. Методы повышения эффективности передачи данных между устройствами первичной и вторичной обработки радиолокационных данных// Матер. междунар. научно-техн. конф. «Наука и образование – 2012». Мурманск: Мурманский гос. тех. ун-т, 2012. С.1142-1147.



Похожие работы:

«КОЛЯДИН НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ, ПРОШЕДШИХ НАЗЕМНУЮ ТРАССУ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН, И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ФАЗОВЫХ ПЕЛЕНГАТОРОВ Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Томск – 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального...»

«ЗАЙЦЕВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ СТУДЕНТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ 13.00.08 – теория и методика профессионального образования АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Ижевск 2007 Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» кандидат физико-математических наук, доцент Научный руководитель: Шихов Юрий Александрович Официальные оппоненты: доктор...»

«ПАНКРАТОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА ОБНАРУЖЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ МЕЖДУ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПО ДАННЫМ МАГНИТНОЙ ЭНЦЕФАЛОГРАФИИ Специальность: № 03.01.02 – Биофизика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва, 2015 Работа выполнена в Отделе перспективных информационных технологий Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт математических проблем биологии Российской...»

«Йе Наинг Тун ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С НЕОДНОРОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОДОВ В ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРАХ Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Москва – 2015 Работа выполнена в Калужском филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный...»

«АЛЬ САИДИ САЛИМ АЛИ САЛЕХ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИНФОКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ В ЙЕМЕНЕ Специальность 05.12.04Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Владимир 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича...»

«Манжула Владимир Гавриилович МЕТОДЫ И МОДЕЛИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ СТРУКТУР СЛОЖНЫХ СИСТЕМ Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленнос ть) Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Владикавказ – 2008 Работа выполнена на кафедрах «Информационные системы и радиотехника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный...»

«МАЙОРОВ Виталий Викторович ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫЕ МЕТОДЫ ДОВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ КОМПЛЕКСА ПОМЕХ Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж – 2015 Работа выполнена в Акционерном обществе «КОНЦЕРН «СОЗВЕЗДИЕ». Научный Малышев Иван Иосифович, руководитель доктор технических наук, старший научный сотрудник Официальные Нахмансон Геннадий...»

«Коржихин Евгений Олегович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ И КОРРЕКЦИИ ВИДЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования Московском техническом университете связи...»

«Сонис Роман Григорьевич Совершенствование элементов системы управления электронным документооборотом на основе методов функциональной стандартизации и технологии открытых систем Специальность: 05.13.05—Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления, 05.13.15— Вычислительные машины и системы. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2006 Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники,...»

«Артищев Сергей Александрович ДИАГНОСТИКА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И ПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ НЕЛИНЕЙНОЙ ВИДЕОИМПУЛЬСНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ Специальность 05.12.04 – «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Томск – 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет...»

«Ахметов Денис Булатович СИНТЕЗ И РЕАЛИЗАЦИЯ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2015 Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» Научный...»

«Xвaлин Aлeкcандp Львoвич Aнaлиз и cинтeз интeгpaльныx мaгнитоупpaвляемыx рaдиoтeхничecкиx устpoйств нa фeppитoвыx peзoнaтopax 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Самара – 2014 Работа выполнена в ОАО «Институт критических технологий», г.Саратов Официальные оппоненты: Ильин Евгений Михайлович, д.ф.-м.н., ведущий аналитик Инновационного технологического центра КНП МГТУ...»

«Сидоренко Александр Анатольевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДЕРА-ДЕКОДЕРА ДЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕТРИИ Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Владимир – 2015 Работа выполнена на кафедре радиотехники и радиосистем ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)....»

«ВОЛОВАЧ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТИВНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Самара 2015   Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский...»

«ОВЕЧКИН Геннадий Владимирович ТЕОРИЯ КАСКАДНОГО ДЕКОДИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ КОДОВ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ РАДИОКАНАЛОВ НА ОСНОВЕ МНОГОПОРОГОВЫХ АЛГОРИТМОВ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автор еф ера т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Рязань – 2011 Работа выполнена на кафедре вычислительной и прикладной математики ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет». доктор технических наук,...»

«ШУВАЛОВ Андрей Сергеевич СИНТЕЗ И АНАЛИЗ МНОГОФАЗНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ БАРКЕРА Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2013 Работа выполнена на кафедре информационной безопасности Поволжского государственного технологического университета доктор физико-математических наук Научный руководитель: Леухин Анатолий Николаевич Официальные...»

«Шулятьев Аркадий Андреевич МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ МЕТОДОВ РАДИОМОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОКРОВОВ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Владимир 2015 г. Работа выполнена на кафедре радиотехники и радиосистем ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ). Научный руководитель: Никитин...»

«Самищенко Алексей Сергеевич НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ДАКТИЛОСКОПИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ Специальность: 12.00.12 – криминалистика; судебно-экспертная деятельность; оперативно-розыскная деятельность Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата юридических наук Москва – 2015 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники,...»

«Никулин Андрей Викторович Имитация отражений радиосигналов на основе использования дискретных излучателей статистически независимых сигналов Специальность: 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный...»

«ПЕТРОВСКИЙ Михаил Александрович СИСТЕМА И АЛГОРИТМЫ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Специальности: 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения; 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Пенза – 2015 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.