1.3 Системи радіоакустичного зондування атмосфери і методи обробки сигналів в системах раз атмосфери

Системи РАЗ – це системи, призначені переважно для вимірювання температури атмосфери. Принцип роботи таких систем полягає в тому, що в атмосферу випромінюються імпульсний акустичний сигнал, радіосигнал. Акустична посилка створює в атмосфері систему неоднорідностей. Електромагнітний сигнал відбивається створеної системою неоднорідностей, при цьому в процесі відображення змінюється його структура. За відбитого радіосигналу, що приймається радіоантенной, оцінюється швидкість звуку, і далі обчислюються шукані параметри атмосфери.

Використані в даний час в системах РАЗІВ методи обробки сигналів являють собою евристичні пошукові методи оцінювання енергетичного параметра сигналу, що містить інформацію про швидкості розповсюдження в атмосфері звукової посилки.

І один і другий застосовуються на практиці алгоритми спрямовані на пошук точки q  0 на осі значень параметра розладу умови Брегга q . При цьому використовуються наступні підходи: точці q  0 відповідає максимум амплітуди відбитого сигналу; в точці q  0 доплерівський зсув частоти розсіяного сигналу співпадає з частотою випромінюваної звукової посилки. Із знаходженням точки q  0 однозначно визначається доплерівська частота розсіяного сигналу і можливість знаходження швидкості звуку і температури середовища.

Обидва використовуються алгоритми обробки сигналів включають в себе зміну частоти звукового випромінювання (найбільш часто вручну): при зміні значення частоти звукового випромінювання і незмінному значенні частоти радіосигналу змінюються значення параметра q  2k_e  k_s.. У першому алгоритмі шукається глобальний максимум вихідної функції – максимум амплітуди розсіяного сигналу або максимум модуля функції розсіювання (рис. 1.2). Оскільки до уваги при аналізі приймається тільки обвідна розсіяного сигналу, а фазова структура при цьому ігнорується, метод можна назвати методом некогерентного послідовного оцінювання інформаційного параметра.

Рис. 1.2 Пошук глобального максимуму функції розсіяння при некогерентному послідовному методі оцінювання

У другому методі оцінювання також послідовно змінюється частота звукового випромінювання, тобто параметр расстройки умови Брегга q , а точкова оцінка шукається не по максимуму амплітуди вихідного сигналу, а шляхом вимірювання частоти розсіяного сигналу, при цьому домагаються збігу допплерівської частоти розсіяного сигналу з частотою звукової посилки. Цей метод, загалом кажучи, недостатньо коректний, оскільки при наявності расстройки по q формується розсіяний сигнал по структурі не є монохроматичним. Такий метод можна назвати методом когерентного послідовного оцінювання інформативного параметра.

І перший і другий розглянуті методи – це методи послідовного оцінювання інформаційного параметра сигналу з використанням дискримінатора (якщо перебудова частоти здійснюється вручну, то функції дискримінатора частково або повністю виконує оператор): у першому випадку амплітудного, у другому – частотного.

У ряді систем зондування швидкість звуку визначається за доплеровскому зсуву частоти електромагнітних коливань, розсіяних на звуковий посилці, без використання налаштування частот зондувальних сигналів. Пристрої обробки таких станцій радіоакустичного зондування атмосфери, незалежно від видів використовуваних зондувальних акустичних і електромагнітних сигналів, побудовані як вимірники допплерівської частоти, а теоретичною моделлю застосовуються в системах РАЗ пристроїв обробки є відома багатоканальна кореляційна або фільтрова схема оцінки інформативного параметра (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Кореляційний приймач для оцінки доплерівського зсуву частоти.

Принцип роботи алгоритму описується виразом (1.9).

(1.9)

де (t, f_m ) – прийнятий електромагнітний сигнал зі значенням несучої частоти f_m

Методи з підстроюванням частоти зондувальних сигналів вимагають великої кількості часу для зондування, а результати вимірювань, отримані з використанням існуючих алгоритмів без підстроювання частоти зондувальних сигналів, що супроводжуються значними за величиною систематичними похибками: отримувана температура атмосфери відрізняється від істинної на величину 1-2 градуси. Такий рівень похибки систем без підстроювання частоти зондувальних коливань, насамперед, пов'язаний з тим, що алгоритм оцінки швидкості руху звукової посилки доплеровскому зсуву частоти не враховує факту зміни структури відбитого сигналу по відношенню до випромінюваного.

При відображенні радіосигналу від акустичної посилки його структура не буде змінюватися лише у випадку, якщо буде дотримуватися умову Брегга . У всіх інших випадках форма відбитого сигналу вже не буде схожа з формою випроміненого і класичний алгоритм буде давати систематичну помилку, що доводить графік (рис. 1.4), на якому наведено 3 профілю (усереднені по 100 звуковим посилок) отримані на радарі 30 РАЗ при трьох різних значеннях звукової частоти, що відрізняються на± 0,21%. Для контролю стаціонарності атмосферних умов вимірювання на кожній частоті проводилися 2 рази – від нижчої до вищої і в зворотному порядку. Профілі, отримані таким чином на кожній частоті, співпали з точністю до товщини ліній на графіку, тому на рис. 1.14 нанесено тільки за одним профілем для кожного значення fs. Гуртками на профілях відзначені ті висоти, на яких f_d в межах ± 0,02% співпадала з fs , т. е. висоти для яких q  0 . Хрестиком на осі абсцис відзначено значення температури на висоті 1 м над поверхнею землі. Жирна ламана лінія, що з'єднує кружечки, відповідає, таким чином, точно вимірюваною профілю температури. На кордоні видно, що наявність розладу не просто зрушує температурні профілі на величину T , але сильно спотворює температурний градієнт.

Рис. 1.4 Профілі температури в атмосфері

Таким чином, підтверджується відміну зсуву частоти відбитого сигналу від чисто доплерівського зсуву.