Пространственно-временная обработка сигналов в системе акустоэлектромагнитного зондирования

• Автор: Селиванов, Денис Юрьевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 153 с. : ил.

ГЛАВА 1 ЗАДАЧА ОБРАБОТКИ ЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ
ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ТЕМПЕРАТУРЕ АТМОСФЕРЫ
1Л Проблема дистанционного измерения температуры атмосферы
1.2 Методы измерения температуры в системах лазерного зондирования атмосферы и их техническая реализация
1.3 Предпосылки и прототипы метода акустоэлектромагнитного зондирования
1.4 Выводы
ГЛАВА 2 МОДЕЛЬ СИГНАЛОВ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
2.1 Уравнение лазерного зондирования
2.2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия
2.3 Выбор геометрической схемы зондирования для системы
акустооптической локации
2.3.1 Модель сигнала акустооптического взаимодействия для моностатической схемы зондирования
2.3.2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия для бистатической схемы зондирования
2.4 Модель сигналов акустооптического взаимодействия для замутненной атмосферы
2.5 Анализ моделей сигналов акустооптического взаимодействия
2.6 Выводы
ГЛАВА 3 АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СИСТЕМЕ
АКУ СТООПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ С НЕКОГЕРЕНТНЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ
3.1 Общие замечания
3.2 Алгоритм измерения температуры в безветренной атмосфере при непрерывном акустическом излучении

3.3 Алгоритм измерения температуры в атмосфере с учетом радиальной составляющей ветра при непрерывном акустическом излучении
3.4 Влияние влажности атмосферы на измерение температуры в системах акустооптической локации
3.5 О возможности измерения температуры в системе акустооптической локации с импульсным акустическим излучением
3.6 Выводы
ГЛАВА 4 ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ АКУСТООПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ С НЕКОГЕРЕНТНЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ
4.1 Расчет отношения сигнал-шум на выходе фотоприемника системы акустооптической локации
4.2 Точность измерения температуры в системе акустооптической локации
4.3 Квазиоптимальная пространственная фильтрация сигнала в системе акустооптической локации с бистатической схемой
4.4 Расчет параметров системы акустооптической локации
4.4.1 Расчет максимальной дальности зондирования системы акустооптической локации в незамутненной атмосфере
4.4.2 Выбор энергетических параметров системы акустооптической локации в незамутненной атмосфере
4.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ. Имитационная модель сигналов акустооптического взаимодействия

Актуальность темы исследования. Большое значение в современной деятельности человека имеют различные радиотехнические системы локации. Важной областью их применения является дистанционный контроль состояния атмосферы. Новые алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов и алгоритмы извлечения информации из локационных сигналов позволяют увеличивать точность и оперативность измерений отдельных метеорологических величин (температуры, скорости ветра, влажности и других), благодаря чему возможно предотвращение некоторых неблагоприятных экологических ситуаций, повышается безопасность эксплуатации транспорта, непосредственно увеличивается точность прогнозов погоды.
Указанные задачи согласуются с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-843 от 21.05.2006) и Перечнем критических технологий Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-842 от 21.05.2006) в части создания технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, технологий снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф.
Наибольшее влияние на сферу деятельности человека оказывает пограничный слой атмосферы (от поверхности земли до 1 - 1.5 км). Долгое время исследования этого слоя проводились с помощью датчиков, установленных на мачтах, измерений с борта самолетов и аэростатов. Значительный шаг был сделан при переходе к экспериментам с дистанционным зондированием электромагнитными и акустическими волнами. Некоторые такие системы сейчас коммерчески доступны (радиолокаторы, оптические локаторы - лидары и акустические локаторы - содары для измерения параметров ветра, системы радиоакустического зондирования для измерения температуры). Однако многие из них остаются сложными дорогостоящими исследовательскими инструментами, имеющимися в единственных экземплярах.
Амплитуда переменной составляющей правой части (2.15) кроме всего прочего зависит от соотношения длины импульса и длины волны акустического излучения. Амплитуда равна нулю при
^ас = ~—, и = 1,2,
2-п
Отношение постоянной и амплитуды переменной составляющих в мощности (2.15) (другими словами, глубина амплитудной модуляции сигнала)
. „ я1п(х)
определяется функцией вида ——:

'к
эхп — .
лрг и
Р ■ у а5 1 к с-т
2'Т~
(2.16)
Пример графика глубины амплитудной модуляции (2.16) представлен на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Глубина амплитудной модуляции рассеянного в области взаимодействия оптического сигнала
Из рис. 2.2 видно, что даже для частоты акустического излучения около 1 кГц предпочтительнее выбирать длительность зондирующих импульсов менее 2 нс, что соответствует пространственному разрешению лучше, чем 0.3 м (длительность зондирующих импульсов в современных лидарных системах составляет 10-20 нс). Любые источники, кроме лазерного, обладают недостаточным быстродействием для генерации таких импульсов.