CC BY
27^Е^яЩДЁ-. шЫр- УДК 621.396.67
КОМПЕНСАЦИЯ ПОМЕХ В РАБОТЕ СВЧ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Федосеева Елена Валерьевна
кандидат технических наук, доцент, доцент Муромского института (филиала)
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
Щукин Георгий Георгиевич
доктор физико-математических наук, профессор Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского.
Адрес: 197082, С-Петербург, Ждановская, 13.
Ростокин Илья Николаевич
кандидат технических наук, доцент, доцент Муромского института (филиала)
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
Ростокина Елена Анатольевна
кандидат технических наук, доцент, доцент Муромского института (филиала)
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». Адрес: 602264 Муром, Владимирская обл., ул. Орловская, д. 23.
Аннотация: Приведены результаты исследований влияния помех при проведении СВЧ радиометрических измерений, обусловленных внешними условиями - фоновым излучением окружающего систему пространства - фонового шума и формированием слоя осадков на поверхности зеркальной антенны. Показано сложное аддитивно-мультипликативное помеховое воздействие указанных факторов на результаты измерений. Представлены оригинальные запатентованные решения по компенсации внешних помех в работе СВЧ радиометрических систем, основная идея которых состоит в организации одновременного двухканального приема. Для его реализации предложена специально разработанная двухка-нальная двухмодовая антенна, на выходе дополнительного канала которой формируется сигнал, обусловленный приемом радиошумового излучения из области рассеяния ДН основного измерительного канала, адекватного помеховой составляющей сигнала на выходе основного измерительного канала. Алгоритм схемной компенсации влияния фонового шума основан на реализации модуляционного принципа приема в радиометрах - выходной сигнал системы пропорционален разности сигналов двух входных каналов системы. Рассмотрен способ компенсации аддитивно-мультипликативного помехового воздействия слоя осадков на поверхности зеркальной антенны на результаты СВЧ радиометрических измерений, основанный на методе пилот-сигнала при введении в систему режима приема-передачи при формировании на выходе дополнительного канала сигнала компенсации с реализацией относительно-разностного алгоритма выделения информационной составляющей входного сигнала. Представлены результаты СВЧ радиометрических измерений радиояркостной температуры атмосферы системой, реализующей рассмотренные способы компенсации помех.
Ключевые слова: помехи в работе СВЧ радиометрических систем, фоновый шум, слой осадков на поверхности антенны СВЧ радиометрической системы, двухканальная СВЧ радиометрическая система компенсации фоновых помех, двухканальная двухмодовая антенна, СВЧ радиометрическая система с компенсацией аддитивно-мультипликативного помехового воздействия слоя осадков на поверхности зеркальной антенны, модуляционный радиометр.
В основе СВЧ радиометрии измерение интен- которого зависят от электрофизических пара-сивности собственного радиошумового излу- метров исследуемых объектов [1]. Данные ра-
Введение
чения, величина и спектральные особенности
диометрических измерений позволяют по обратным моделям оценить интегральные характеристики исследуемой области. Поэтому методы СВЧ радиометрических наблюдений предоставляют большие возможности для дистанционного оперативного мониторинга состояния окружающего пространства, в частности, для наземных наблюдений за состоянием атмосферы, для исследования с борта летательных аппаратов поверхности Земли и земной атмосферы [2]. Данные исследований применяются для своевременного отслеживания и построения прогнозов развития процессов, происходящих в атмосфере и на поверхности Земли, что приобретает большое значение в условиях современных тенденций роста числа природных катаклизмов.
Современные высокотехнологичные разработки в СВЧ области и, соответственно, реализация малошумящих широкополосных приемных устройств позволяют создавать СВЧ радиометрические системы высокой чувствительности, порядка десятых долей Кельвина. Это дает возможность фиксировать с высокой точностью временные и пространственные изменения интенсивности радиошумового излучения и строить временные тренды и пространственные разрезы радиотепловых полей исследуемых областей.
Ограничение по точности данных СВЧ радиометрических измерений связано с конечной пространственной селективностью антенны СВЧ радиометрической системы. Ненулевой уровень передачи антенны входного сигнала из углового сектора вне главного лепестка диаграммы направленности (ДН) - области рассеяния антенны, приводит к формированию во входном сигнале дополнительной помеховой шумовой составляющей, обусловленной приемом радиошумового излучения окружающей систему области пространства - фонового шума. Одинаковый шумовой характер помеховой и информационной составляющей входного сигнала не позволяет использовать известные в радиолокации частотные и временные способы компенсации указанных помех. Основные подходы к решению данной проблемы - снижение уровня помехи за счет уменьшения при-
ема из области рассеяния ДН антенны или формирование в антенне дополнительного сигнала компенсации [3].
Большой практический опыт натурных СВЧ радиометрических исследований, проведенных в 70-х - 80-х годах в Муромском филиале Владимирского политехнического института (в данный момент МИ ВлГУ) учеными Фалиным В.В., Гинеотисом С.П., Николаевым В.А., Первушиным Р.В., Булкиным В.В. в сотрудничестве с Главной Геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова, и особенно с Г.Г. Щукиным, который являлся научным руководителем многих научно - исследовательских работ, и Центральной аэрологической обсерваторией (г. Долгопрудный) показал, что большое значение решение проблемы исключения влияния фонового шума имеет для мобильных систем наземного базирования, предназначенных для оперативного мониторинга атмосферы. СВЧ радиометрические измерения позволяют оценить интегральные характеристики атмосферы - влагозапас атмосферы, во-дозапас облаков и интенсивность осадков [2]. Измерения проводятся в миллиметровом и сантиметровом диапазоне длин волн, в условиях высокотемпературного фонового шума и неоднородности атмосферы, что может сопровождаться существенным неоднозначным приростом входного сигнала системы и соответствующими погрешностями оценки параметров атмосферы. Также в ходе проведения радиометрических исследований было выявлено влияние слоя осадков, образующегося на поверхности антенны в сложных метеорологических условиях на результаты измерений.
В данной статье приведены данные по оценке влияния помех в СВЧ радиометрических системах, вызванных внешними факторами, и рассмотрены способы системной компенсации их влияния.
Помехи в работе СВЧ радиометрических систем
В соответствии с уравнением антенного сглаживания антенная температура радиометрической системы определяется следующим выражением [4]:
Та =Ла (1 " РУл + ЛаРТбок +(1 -Ла У , (1) Р = ЛF(в,ф)dвdф/ЦF(в,ф)dв ¿ф,
□Р€- 4-л
где / - коэффициент рассеяния антенны; Тл, Тбок - среднее значение радиояркостной температуры среды соответственно в области главного лепестка и в области рассеяния ДН; Орас - угловой размер области рассеяния ДН
антенны: Орас = 4% -Огл .
При условии неизменности параметров приемной антенны, первое слагаемое Тинф =Па (1 - РУ, характеризующее радиояр-
костную температуру исследуемой области пространства в пределах главного лепестка ДН антенны Огл задает уровень информационного сигнала в составе общего входного сигнала системы, а второе и третье слагаемые, обусловленные приемом фонового шума через область рассеяния ДН антенны, и температурными параметрами самой антенны, могут рассматриваться как характеристики уровня по-меховой составляющей входного сигнала
Тпомех = ПаРТбок + (1 -Па )Т0 .
Проведенный анализ помеховой составляющей Тпомех входного сигнала радиометрической системы показал, что в первом приближении ее величина может быть оценена по известным моделям радиошумового излучения природных сред - атмосферы и подстилающей поверхности [1]. Так для случая зондирования атмосферы помеховая составляющая, обусловленная приемом фонового шума, равна
Тпомех ДТатм + ДТпп Рв ^а Татм + Рн ^а Тпп , (2)
где ДТатм и ДТпп - вклад в помеховую оставляющую атмосферы и подстилающей поверхности, соответственно; Ре и Рн - коэффициент рассеяния, характеризующий прием сигнала через область рассеяния антенны в верхнем и нижнем полупространствах; Татм - усредненное значение радиояркостной температуры атмосферы [1]:
Татж = Тэ 'I1 - ^ - Т ■ Ег (- ^)]+ Тр ,
где т - оптическая толщина атмосферы; Тэ -средняя эффективная температура атмосферы; ДТ -поправка на неизотермичность для в = 0°; е (- т) - интегральная показательная функция; Тр - радиояркостная температура реликтового
излучения космического пространства; Тпп -усредненное значение радиояркостной температуры подстилающей поверхности [4]: Тпп = У 3 , где 3 - коэффициенты излуча-тельной способности подстилающей поверхности.
Приведенные выражения для оценки составляющих Тпомех дают средние значения данных величин при условии неизменности состояния окружающего пространства. Но в реальных условиях кроме однородного фона возможно наличие локальных неоднородно-стей, а также изменение состояния окружающего пространства за время проведения измерений. Например, при зондировании атмосферы локальными неоднородностями в верхней части области рассеяния могут быть Солнце, как высокотемпературный объект с малым угловым размером, или кучевые облака, расположенные вне главного лепестка ДН антенны, меняющие свое местоположение относительно антенны в процессе проведения измерений в течение определенного промежутка времени. Выполненные в [5] оценки прироста антенной температуры показали, что вклад в антенную температуру Солнца, расположенного в неизотропной части области рассеяния ДН достигает ДТа = 40 К, а в изотропной - 5К, т.е. полученные значения различаются практически на порядок. При наличии мощного кучевого облака углового размера 0,05 Орас с радиояркостным
контрастом Т = 250К , коэффициенте рассеяния антенны 0,35 величина помехового прироста антенной температуры окажется равной около 5К, что в разы превышает чувствительность системы.
Изменение состояния подстилающей поверхности за время проведения измерений, также приводит к возникновению дополнительной помеховой составляющей антенной
температуры. В работе [5] показано, что при изменении влажности поверхности земли при выполнении радиометрических измерений ра-диояркостной температуры атмосферы в результате выпадения осадков приращение антенной температуры в сантиметровом диапазоне при изменении влажности от 0 до 12% на горизонтальной поляризации составляет 60К, и около 20К на вертикальной поляризации. При выпадении твердых осадков в виде снега на первоначальном этапе при формировании слоя снега антенная температура претерпевает сильные осцилляции, например, при изменении толщины слоя снега от 0 до 0,1Л она изменятся на ~ 60К. При увеличении толщины слоя снега осцилляции уменьшаются, и при достижении величины И/Л значения от 1,5 до 2 антенная температура становится постоянной определяемой интенсивностью радиошумового излучения снега.
Случайные недетерминированные изменения помеховой составляющей антенной температуры не позволяют полностью исключить помеховой действие фонового шума на результаты радиометрических измерений, что приводит к погрешностям оценки параметров исследуемых сред. В работах [5-8] проанализировано влияние погрешности компенсации фонового шума на величину погрешности измерений параметров атмосферы при абсолютных, относительных измерениях и при выполнении измерений методом угловых разрезов. При проведении радиометрических измерений оценка радиояркостной температуры производится непосредственно по величине измеренной антенной температуры (1)
Т л =(1 _ ^ Т* _ То (1 _Ча )] . (3)
Общая относительная погрешность измерения радиояркостной температуры определялась выражением
&2 « К2 8 + КТ & + КТ & + К181 + К„28Ч2, (4)
1 ягж 1 а Та 1бок 1бок 10 Т 0 Р Р Ч Ч ' у '
где К - коэффициенты влияния погрешности измерения величин, входящих в выражение (3); 8 - относительные погрешности измерения величин в выражении (3).
Для анализа влияния некомпенсированной помеховой составляющей антенной температуры, обусловленной фоновым шумом, в работах [5-8] ее величина задавалась в виде доли от измеряемой радиояркостной температуры Тбок = аТя гж . Проведенный при таких условиях
анализ показал, что при абсолютных измерениях в среднем увеличение величины неском-пенсированной составляющей помехи от фонового шума на 10% приводит к возрастанию погрешности 8Т на 1%, при относительных
измерениях величина погрешности, обусловленная влиянием фонового шума в большой степени зависит от величины измеряемого ра-диояркостного контраста и от чувствительности радиометра: при больших значениях ра-диояркостного контраста (> 100К) такая погрешность не более единиц процента, а при малых значениях контраста и при высокой чувствительности (менее 0,1К) погрешность достигает десятков процентов.
Таким образом, анализ влияния помехового действия фонового шума на результаты радиометрических измерений показал, что при дальнейшем усовершенствовании приемников радиометрических систем - повышении чувствительности радиометра большая часть общей погрешности будет определяться неском-пенсированностью помеховой составляющей входного сигнала, обусловленной приемом фонового излучения через область рассеяния ДН антенны.
Помеховым фактором в работе радиометрических систем также является формирование слоя осадков на поверхности зеркала антенны. В работах [4, 9-11] проанализировано сложное влияние слоя осадков на результаты радиометрических измерений. Так, при наличии слоя осадков появляется дополнительная аддитивная компонента в составе входного сигнала радиометрической системы, обусловленная собственным радиошумовым излучением слоя осадков, а также при наличии слоя осадков изменяется коэффициент передачи антенны, что приводит к мультипликативному помеховому воздействию на результаты измерений. Погрешность, обусловленная слоем осадков на
поверхности зеркала антенны, можно определить по следующему выражению:
ДТа = Та - 1)+ Т1321, (5) где R321 - коэффициент отражения по мощности от трехслойного образования (воздух - вода - металл антенны); У321 - температура шумов данного образования, приведенная ко входу приемника.
Анализ влияния слоя осадков на погрешность радиометрических измерений показал [911], что при образовании слоя воды на поверхности зеркала антенны его помеховое воздействие приводит к положительному приросту антенной температуры при малых интенсивно-стях дождя за счет собственного радиошумового излучения слоя осадков, которое уменьшается при возрастании интенсивности дождя за счет снижения отражательных свойств поверхности зеркала. Величина погрешности, определяемая приростом антенной температуры в зависимости от частотного диапазона исследований имеет значение от десятых долей до единиц Кельвина, при этом, чем выше частота, тем сильнее проявляется помеховое воздействие слоя осадков.
Таким образом, в условиях современных достижений по снижению шумовой температуры радиоприемных устройств и соответственно повышению чувствительности радиометров в составе радиометрических систем внешние помеховые факторы - фоновый шум и слой осадков на поверхности антенны приобретают определяющее влияние на величину погрешности результатов радиометрических измерений и могут оказаться сдерживающими факторами повышения их точности. Поэтому разработка методов компенсации влияния этих помеховых факторов имеет большое значение для совершенствования средств СВЧ радиометрических исследований природных сред.
Компенсация влияния фонового шума на результаты СВЧ радиометрических измерений
Отличие СВЧ радиометрических систем от радиолокационных систем зондирования природной среды состоит в том, то неразличимая
по частотным свойствам с информационным сигналом помеха, обусловленная приемом фонового шума, просачивается на вход радиометра из всего окружающего антенну пространства через область рассеяния ДН и создает недетерминированный прирост входного сигнала. Поэтому для выполнения компенсации ее влияния необходимо сформировать дополнительный входной сигнал адекватный по-меховой составляющей основного входного сигнала при реализации приема фонового шума из всей области рассеяния ДН антенны. Из-за малых уровней мощности входных сигналов СВЧ радиометрических систем дополнительно необходимо обеспечить требование минимизации приема сигнала из области главного лепестка ДН антенны, чтобы процедура компенсации помеховой составляющей входного сигнала не приводила к существенному снижению чувствительности системы в целом [12,13].
Для реализации указанных требований к решению задачи компенсации помехового влияния фонового шума были предложены оригинальные решения по организации дополнительного канала приема в радиометрической системе. Для этого была разработана двухка-нальная антенна с формированием двух ДН на одной апертуре за счет работы в двухмодовой режиме на модах Ни и Еш круглого волновода с последующим разделением входных сигналов в специальном устройстве - модовом разделителе [14] (рис.1). При использовании режима противофазного возбуждения апертуры антенны, соответствующего моде Е0Ь ДН дополнительного канала антенны хорошо совпадает с ДН основного канала в области рассеяния ДН, а в области главного лепестка в ДН дополнительного канала наблюдается провал, что отвечает требованию возможной минимизации приема сигнала в данной области. На рис.2 приведены ДН основного (1) и дополнительного (2) канала для антенны с апертурой диаметром 30см на частоте 9,27 ГГц.
Алгоритм компенсации помехового влияния фонового шума предполагает в СВЧ радиометрической системе операцию разностного приема двух входных сигналов. Для ее реализации была разработана система, выполня-
ЕЗ
Е01
ж
Нш
Н11 ,Ео1
Ню
Г"
дополнительный антенный канал
Рис. 1.
ющая известный [1] модуляционный принцип выделения информационной составляющей входного сигнала, в которой в качестве допол-
полнительного канала А2, через модулятор М в два полупериода управляющего сигнала генератора опорных напряжений (ГОН) проходят общий приемный тракт с преобразованием частоты в приемно-усилительном блоке (ПУБ), амплитудным детектированием в квадратичном детекторе (КД) и усилением в усилителе низкой частоты УНЧ. При этом формируются в соответствующие полупериоды выходные сигналы пропорциональные величинам радиошумовых
основнои антенный канал
©
Рис. 2.
нительного сигнала компенсации выступает выходной сигнал дополнительного антенного канала [15] (рис.3).
Два входных сигнала - основного А1 и до-
температур Та1 + Тшпр и Та2 + Тшпр , ГДе Тшпр -шумовая температура приемного тракта радиометра. При отсутствии приема сигнала дополнительным антенным каналом из области главного лепестка ДН основной антенного канала и при абсолютной адекватности условий приема по области рассеяния двух каналов выходные напряжения УНЧ равны
- в первый полупериод управляющего сигнала
и ~ кТ + Т -
^ выхАХ а\ т ± шпр
- кТл(Х - Р)л + ТбокРл + то(\- л))+ Тшпр, (6)
- во второй полупериод управляющего сигнала
и ~ кТ + Т -
^ выхА2 а2 т 1 шпр
- кТбоРл + То(\ -л)) + Тшпр, (7) а выходное напряжение синхронного детектора СД определяется выражением
ивыхСД - ивыхА\ - ивыхА2 ~ кТгл (Х - Р)Л , (8)
где к - коэффициент передачи радиометра входных сигналов антенны.
Согласно выражению (8) при абсолютном выполнении требований к направленным свойствам дополнительного антенного канала в выходном сигнале радиометрической системы отсутствуют составляющие, обусловленные приемом фонового шума через область рассеяния ДН антенны и собственными шумами радиометра.
Компенсация влияния слоя осадков на поверхности зеркальной антенны на результаты радиометрических измерений
Наличие слоя осадков на поверхности зеркала антенны радиометрической системы приводит не только к приросту антенной температуры за счет собственного радиошумового излучения этого слоя, но и к недетерминированным вариациям общего коэффициента передачи системы из-за изменения отражательных свойств зеркала. Для компенсации помехового влияния
данного явления был применен известный способ пилот-сигнала адаптированный к условиям функционирования радиометрических систем. С этой целью в состав системы был введен генератор шума - источник опорного шумового сигнала [\3, \9]. Опорный сигнал излучался в направлении зеркала, отражался и поступал на вход антенны. При этом необходимо было решить задачи пространственного и временного разделения информационного и опорного сигнала, что было выполнено в предложенной системе на основе двухканальной антенны с формированием сигнала компенсации. Для разделения по времени режима приема информационного и опорного шумового сигнала прием-передача опорного сигнала выполняется в полупериод формирования сигнала компенсации, причем передача опорного сигнала производится через основной антенный канала в направлении зеркала, а прием через дополнительный канал, что обеспечивается хорошей развязкой каналов (не менее -25 дБ) в модовой разделителе. Для реализации такого режима применяется двухуровневый генератор шума и двойная модуляция с некратными частотами (рис.4) и относительно - разностной процедурой компенсации помех.
Основной антенный канал АХ через направленный ответвитель (НО) соединен с модулятором (М2). К боковому плечу НО через двух-плечный модулятор (МХ) подключен источник высокостабильного шумового сигнала (ГШ) -источник пилот-сигнала. Частоты управляю-
Д"нтенное 1 устройство
СВЧ блак
НЧ блок I
РУ
Рис. 4.
щих напряжений модуляторов М1 и М2 выбираются некратными, поэтому выходные сигналы основного и дополнительного каналов разнесены в частотной области, и после усиления и преобразования общим приемно - усилительным блоком (ПУБ), квадратичного детектирования (КД) и предварительного усиления по низкой частоте в УНЧ они разделяются в двух синхронных детекторах СД1 и СД2, на которые подаются опорные напряжения от ГОН1 и ГОН. Выходные сигналы с СД1 и СД2 поступают на регистрирующее устройство РУ, например, компьютер, где выполняется операция нахождения их отношения. Выходной сигнал системы в этом случае равен
=
T
T
эср
kdon Тэ1 Тэ2
T - T
э1 э2
(9)
где kосн и kДоп - коэффициенты передачи основного и дополнительного каналов радиометрической системы с компенсацией помех; Тэ1 и Тэ2 - шумовые температуры двухуровневого генератора шума.
В выходном сигнале ивых отсутствуют составляющие, обусловленные влиянием слоя осадков и фоновыми шумами.
Результаты измерений при выполнении компенсации помех в радиометрических системах
Для оценки эффективности предложенных ме-
тодов компенсации помех в СВЧ радиометрических системах были выполнены измерения в условиях сильного влияния фонового шума, а также при формировании слоя осадков на поверхности зеркала.
Сложными с позиции постоянного отслеживания изменения вклада фонового шума в антенную температуру системы являются ситуации, когда с течением времени или при изменении углового направления существенно меняется угловая зависимость уровня фонового шума относительно антенны. Такие условия наблюдались при проведении измерений в условиях городской застройки и при выполнении измерений радиояркостной температуры вблизи угловых направлений на горизонт [19, 20].
При проведении измерений антенна системы представляла собой конический рупор с эллиптическим раскрывом размеры которого в горизонтальной плоскости 120 мм, в вертикальной плоскости 100 мм, при этом на частоте 10ГГц ширина его главного лепестка ДН по уровню половинной мощности составляет 10°. Внешний вид антенны и приемного блока системы приведены на рис.5.
При проведении измерений в условиях городской застройки при малой пространственной селективности антенны критичной оказалась ситуация перехода с углового направления 0° на направление -5°, при этом оба ближние боковые лепестки ДН - неизотропная часть области рассеяния перешли на прием излуче-
ния от подстилающей поверхности и окружающих зданий, в результате согласно рис.6 наблюдался существенный прирост сигнала как по основному (43 К), так и по дополнительному каналу, что обеспечило адекватную компенсацию прироста фонового шума.
300
м
г
50
£200 -
g 150 м
£¡100
к <
50
0
/
35 25
10 0 -5 Угол высоты
-25 -45
-Основной канал -Дополнительный канал
Рис. 6.
При выполнении измерений радиояркост-ной температуры атмосферы вблизи радиогоризонта к угловой зависимости ее от угла возвышения линии визирования антенны добавляется нелинейное изменение прироста антенной температуры за счет увеличения вклада фонового шума при приближении к направлению на горизонт. На рис.7 приведены графики экспериментальных временных зависимостей антенной температуры сигналов основного (Х) и
дополнительного (2) каналов при изменении угла возвышения направления визирования антенны, а на рис.8 угловая зависимость ра-диояркостной температуры атмосферы построенная по результатам измерений с учетом компенсации фонового шума. Сравнение полученной зависимости производилось с теоретически известной зависимостью вида
Татм (И - ТзеН/81И(Л), (Х0)
где Тзен - радиояркостная температура атмосферы в направлении зенита; И - угол возвышения.
Полученная зависимость на рис. 8 хорошо согласуется с теоретической зависимостью (Х0).
Для оценки эффективности применения компенсации влияния слоя осадков на поверхности антенны способом пилот-сигнала в радиометрической системе были проведены измерения радиошумового излучения безоблачной атмосферы при наличии слоя осадков, фазовый состав которого значительно изменялся в процессе измерений.
Основная задача состояла в оценке адекватности влияния слоя осадков на информационный сигнал и пилот-сигнал в случае твердого (снег) и жидкого (вода) фазового состояния слоя осадков, при этом моделировались следующие условия: кратковременные воздействия осадков большой интенсивности путем искусственного полива поверхности зеркала антенны (рис.9) и формирование слоя снега с
изменяющейся влажностью на поверхности антенны путем его искусственного увлажнения (рис.10)._
т ¿Tlt
50.
40.
30.
20.
10.
. 0" _ * 1{Г » 1 20° » . зет г 4 40° »
Рис. 8.
Результаты измерений в условиях формирования слоя осадков на поверхности антенны при приеме двух сигналов основного измерительного (сигнал 1) и дополнительного пилот-сигнала (сигнал 2) показали адекватное основному сигналу изменение уровня дополнительного сигнала при возникновении слоя осадков, что позволяет сделать вывод о возможности реализации указанного вида компенсации помехи.
Заключение
Компенсация помех в работе СВЧ радиометрических систем, обусловленных влиянием фонового шума и слоя осадков на поверхности зеркала, требует специальных решений, учитывающих шумовой характер сигналов и по-
мех и ограниченную селективность антенн. Предложенные способы компенсации позволяют оперативно без дополнительных контрольно-измерительных процедур выделять информационную составляющую антенной температуры пропорциональной радиояркост-ной температуре исследуемой области.
Данные методы могут найти наибольшее применение в условиях оперативного контроля состояния окружающей среды мобильными СВЧ радиометрическими системами, при проведении измерений которыми нет возможности постоянного отслеживания возможных изменений уровня помехи, вызванной внешними факторами, например, фоновыми шумами.
Литература
1. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука, 1973. - 416 с.
2. Радиотеплолокация в метеорологии / В.Д. Степаненко, Г.Г.Щукин, Л.П. Бобылев, С.Ю. Матросов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 283 с.
3. Фалин В.В. Радиометрические системы СВЧ. - М.: Луч, 1997. - 440с
4. Тучков Л.Г. Естественные шумовые излучения в радиоканалах. - М.: Сов.радио, 1968. -152 с.
5. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Вопросы метрологического обеспечения радиотеплолокационных измерений в условиях действия внешних шумовых помех: моногр.- Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2012. - 103 с.
6. Федосеева Е.В. Погрешности компенсации фоновых шумов в СВЧ радиотеплолокационных измерениях // Радиопромышленность. - 2012. -
Рис. 9.
OCH
им*
ДОП
Сухой гнег Влажный снег
¿нега
Рис. 10.
Вып. 2. - С. 105—113.
7. Федосеева Е.В, Щукин Г.Г. Погрешность абсолютных радиотеплолокационных измерений при неоднородном фоновом шуме // Научный вестник МГТУ ГА. — Вып. 186. — С. 43 — 48.
8. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Оценка влияния неточности компенсации фонового шума на погрешность относительных радиотеплолокационных измерений // Научный вестник МГТУ ГА. — Вып. 186.— С. 58 — 61.
9. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Исследование влияния осадков на точность СВЧ радиометрических наблюдений // Труды ГГО. — 2010. — Вып. 562. — С. 226 — 242.
10. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Результаты сравнительного анализа погрешности измерения радиояркостной температуры дождевых облаков, обусловленной слоем воды на поверхности зеркальной антенны // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. — 2012. — №4. — С.22 — 27.
11. Федосеева Е.В. Анализ влияния слоя осадков на поверхности антенны на разрешающую способность радиометрической системы // Методы и устройства передачи информации. — 2009. — Вып. 11.— С. 15—19.
12. Фалин В.В., Федосеева Е.В., Щукин Г.Г., Ермаков Р.Л., Шашкова Е.А. (Ростокина Е.А.) Построение адаптивных радиометрических систем дистанционного зондирования //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО). — 2001. — Вып.3 — С.222 — 238.
13. Федосеева Е.В., Ростокин И.Н.
Радиометрическая система с дополнительным каналом
формирования сигнала
компенсации // Труды ГГО. — 2010. - Вып. 562. — С. 243-257.
14. Патент РФ №2300831 Способ снижения уровня шума антенны и двухмодовая апертурная антенна. // Федосеева Е.В., Ростокина Е.А., Ростокин И.Н. Опубл.: 10.06.2007 Бюл. №16.
15. Патент РФ, ПМ № 91630 Радиометрическая система с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех/
Федосеева Е.В. Опубл.: 20.02.2010, Бюл. №5.
16. Федосеева Е.В., Ростокина Е.А., Ростокин И.Н. Исследования эффективности компенсации фоновых шумов в двухканальной радиометрической системе // Радиопромышленность. — 2012. — Вып. 2 — С.113 —118.
17. Федосеева Е.В. Оценка параметров модового разделителя двухканальной зеркальной антенны радиотеплолокационной системы / Е.В.Федосеева, Е.А.Ростокина, И.Н. Ростокин // Радиотехника. — 2006. — №6. — С.126 — 128.
18. Федосеева Е.В. Выбор коэффициента передачи канала формирования сигнала компенсации в радиометрической системе // Радиотехника. — 2007. — №6. — С. 49 — 51.
19. Патент РФ, ПМ №98820 Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы./ Федосеева Е.В, Ростокин И.Н., Ечин П.А. Опубл.: 27.10.2010, Бюл. №30
20. Федосеева Е.В., Ростокин И.Н. Результаты СВЧ радиометрических измерений в условиях городской застройки // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. — 2011. — №1. — С.8 — 10.
21. Федосеева Е.В., Ростокин И.Н., Ростокина Е.А. Результаты зондирования облачной атмосферы вблизи радиогоризонта двухканальной СВЧ радиотеплолокационной системой // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. — 2013. — №3. — С.4 — 10
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1402-97510 рцентра.
Поступила 23 октября 2013 г.
English
Interference Cancellation in the Operation of Microwave Radiometric Systems
Fedoseeva Elena Valerjevna - Candidate of Engineering, Associate Professor, Department of Radio Engineering Murom Institute (branch) "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
Schukin Georgy Georgievich - Doctor of Physics and Mathematics, Professor Chief Research Scientist Mozhaisky Military Space Academy.
Address: 197082, St. Petersburg, Zhdanovskaya, 13.
Е-mail: [email protected].
Rostokin Ilia Nickolaevich - Candidate of Engineering, Associate Professor, Department of Monitoring and Control in Engineering Systems Murom Institute (branch) "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
Rostokina Elena Anatoljevna - Candidate of Engineering, Associate Professor, Department of Department of Monitoring and Control in Engineering Systems Murom Institute (branch) "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
Address: Orlovskaya st., 23. Vladimir region, Murom, 602264, Russia.
E-mail: [email protected].
Abstract: This paper discusses research findings concerning the interference effect in microwave radiometric measurements determined by environmental conditions - such as background radiation of environment surrounding the system-- background noise, and shaping depth of precipitation on the surface of mirror antenna. The complex additive - multiplicative interference action of the above factors on the observed data is demonstrated here. The paper presents the original patented solutions to external interference cancellation in microwave radiometric systems operations, the idea of which is based on the provision of simultaneous two-channel reception. It is suggested to use a specifically developed two-channel dual-model antenna with a secondary channel output where a signal is generated. This is because of the reception of radio-noise radiation from the scattering region of directivity diagram of the main measuring channel, which is adequate to the interfering component of an output signal of the basic measuring channel. The algorithm of circuit cancellation of background noise effect is based on the implementation of the modulation principle of the radiometer reception - the system output signal is proportional to the signals difference of the two input channels of the system. The paper considers the cancellation method additive-multiplicative interfering action of precipitation depth on the surface of mirror antenna on the results of microwave radiometric measurements, based on the method of a pilot signal when introducing reception-transfer mode into the system when generating in the secondary channel output a compensation signal with the implementation of a relative-difference algorithm of separation of information component of an input signal. The article presents the results of microwave radiometric measurements of aerosphere radio brightness temperature by the system implementing the considered methods of interference cancellation.
Key words: interferences in microwave radiometric system operation, background noise, depth of precipitation on the surface of antenna of microwave radiometric system, two-channel microwave radiometric system of background interference cancellation, two-channel dual-model antenna, microwave radiometric system with additive - multiplicative interference action of depth of precipitation on the surface of mirror antenna., switched radiometer.
References
1. Esepkina N.A., Korolkov D. V., Pariysky Yu.N. Radio Telescopes and Radiometers. M.: Nauka, 1973. 416 p.
2. Stepanenko V.D., Shchukin G.G., Bobylev L.P, Matrosov S.Yu. Infrared Detection in Meteorology. L.: Gidrometeoizdat, 1987. 283 p.
3. Falin V. V. Microwave Radiometric Systems. M.: Luch, 1997. 440 p.
4. TuchkovL.G. Natural Noise Emission in Radio Channels. M.: Sov.Radio, 1968. 152 p.
5. Fedoseeva E. V., Shchukin G. G. The Problems of Metrology Support of Infrared Detection Measurements under the Exterior Noise Interferences Conditions: Monogr. Murom: IPC MI VLGU, 2012. 103 p.
6. Fedoseeva E. V. Inaccuracies of Background Noise Cancellation in Microwave Infrared Detection Measurements. Radiopromyshlennost. 2012. N. 2. P.105-113.
7. Fedoseeva E.V., Schukin G.G. Inaccuracies of Absolute Infrared Detection Measurements at Nonhomogene-ous Background Noise. Nauchnyj vestnik MGTU GA. N. 186. P. 43-48.
8. FedoseevaE. V., Schukin G.G. The Estimation of the Background Noise Cancellation Inaccuracy Effect on the Relative Infrared Detection Inaccuracy. Nauchnyj vestnik MGTU GA. N. 186. P. 58-61.
9. Fedoseeva E.V., Schukin G.G. The Investigation of Precipitation Influence on the Accuracy of Microwave Radiometric Observations. Trudy GGO. 2010. N. 562. P. 226-242.
10. Fedoseeva E.V., Schukin G.G. The Results of Comparative Analysis of Measurement Errors of Radio Brightness Temperature of Rainy Clouds stipulated by a Sheet of Water on the Surface of mirror antenna. Radio-tehnicheskie i telekommunikacionnye sistemy. 2012. №4. P. 22-27.
11. Fedoseeva E. V. The Analysis of Precipitation Depth on the Surface Antenna Effect on the Resolution Capability of the Radiometric System. Metody i ustrojstva peredachi informacii. 2009. N. 11. P. 15-19.
12. Falin V.V., Fedoseeva E.V., Shchukin G.G., Ermakov R.L., Shashkova E.A. The Construction of Adaptive Radiometric Systems of Distan Sounding. Trudy NIC DZA (filial GGO). 2001. N.3 P.222 - 238.
13. Fedoseeva E. V., Rostokin I.N. Radiometric System with Secondary Channel of Compencation Signal Generation. Trudy GGO. 2010. Vyp. 562. P. 243-257.
14. Patent of the Russian Federation №2300831 The Method of Antenna Noise Control and the Two-Mode Aperture Antenna. Fedoseeva E. V, Rostokina E.A., Rostokin I.N. Opubl.: 10.06.2007 Bjul. №16.
15. Patent for the Useful Model № 91630 оп. in byul. №5 from 20.02.2010г. The Radiometric System with compensating of Additive Exterior Background Noises Cancellation. Fedoseeva E. V.
16. Fedoseeva E. V., Rostokina E.A., Rostokin I.N. The Investigation of Background Noise Cancellation Effect in the Two-Channel Radiometric System. Radiopromyshlennost. 2012. N. 2. P.113 - 118.
17. Fedoseeva E.V., Rostokina E.A., Rostokin I.N. The Estimation of Modal Separator Parameters of a Two-Channel Mirror Antenna of Radio Infrared Detection System. Radiotehnika. 2006. №6. P.126 - 128.
18. Fedoseeva E. V. The Selection of Transmission Ratio of the Channel of Compensation Signal Generation in the Radiometric System. Radiotehnika. 2007. №6. P. 49-51.
19. The patent for the Useful Model №98820 the Radiometric System with Cancellation of External Noises and Instability of System Transmission Ratio. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N., Echin P.A. Opubl.: 10/27/2010 Bjul. №30.
20. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N. The Results of Microwave Radiometric Measurements under the Urban Area Conditions. Radiotehnicheskie i telekommunikacionnye sistemy. 2011. №1. P.8 - 10.
21. Fedoseeva E.V., Rostokina E.A., Rostokin I.N. The Results of Sounding Cloudy Atmosphere near Radio Horizon by Two-channel Microwave Radio Infrared Detection System. Radiotehnicheskie i telekommunikacionnye sistemy. 2013. №3. P.4 - 10.
