Погрешность абсолютных радиотеплолокационных измерений при неоднородном фоновом шуме Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.501

ПОГРЕШНОСТЬ АБСОЛЮТНЫХ РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ НЕОДНОРОДНОМ ФОНОВОМ ШУМЕ

В статье рассмотрен метод оценки погрешности абсолютных радиотеплолокационных измерений при проведении измерений в условиях неоднородного фонового шума окружающего пространства.

Ключевые слова: абсолютные радиотеплолокационные измерения, неоднородный фоновый шум, относительная погрешность измерения.

В абсолютном методе измерения радиояркостная температура исследуемой области оценивается непосредственно по величине антенной температуры, измеряемой радиометром, при проведении соответствующей калибровки системы. Но наличие в составе антенной температуры составляющих, обусловленных приемом радиошумового излучения - фонового шума через область рассеяния диаграммы направленности (ДН) антенны, накладывает определенные ограничения на возможность проведения абсолютных измерений - достаточно однородные излуча-тельные свойства исследуемого пространства в пределах большой угловой области, соответствующей полному лепестку ДН антенны, при условии высокой избирательности антенны. В частности, абсолютный метод применяется при радиотеплолокационных исследованиях безоблачной атмосферы или слоистых облаков [1-3].

Проведение радиотеплолокационных исследований при низкой пространственной избирательности антенны и в условиях существенной неоднородности радиошумового излучения окружающего пространства приводит к повышению общей погрешности абсолютных измерений.

В данной статье рассмотрен вопрос оценки относительной погрешности абсолютных измерений радиояркостной температуры при неоднородном фоновом шуме.

Погрешность абсолютных радиотеплолокационных измерений при неоднородном фоновом шуме

Радиояркостная температура радиошумового излучения исследуемой области, усредненная по области главного лепестка ДН антенны Тгл, оцениваемая по антенной температуре Та, с учетом уравнения антенного сглаживания, равна [ 1 ]

где Тф - радиояркостная температура радиошумового излучения окружающего пространства, усредненная по области рассеяния ДН антенны; Ь - коэффициент рассеяния антенны; Ла - КПД антенны.

Согласно выражению (1) для определения Тгл необходимо измерить Та и Т0, параметры

антенны Л и Ь и оценить уровень фонового шума Тф. Измерение всех указанных параметров

выполняется независимыми способами, поэтому результаты измерений могут рассматриваться как случайные независимые величины.

Тогда относительная среднеквадратическая погрешность измерения радиояркостной температуры определяется выражением [1]

Е.В. ФЕДОСЕЕВА, Г.Г. ЩУКИН

Введение

Тгл = [Та _ ТфРЛ- Т 0 (1 -Ла )],

(1)

где 8Т

'Тгл ”Тг^^^л>^Та ° Та / Т а , 8 Тф ^ Тф /А ф , иТо '“'То'^ ^Р '“’Р'Г'>“11 “1]

сительные среднеквадратические погрешности оценки соответствующих параметров, коэффициенты, влияния которых равны

Т. .. РТф т, (1 -Г|)То т, Р(Т,л - Тф)

° Тф / Тф , 8 То = ° То / Т 0, 8Р = °Р / р , 8л = °л / л - отно-

К =______а__ к

КТа “(1 -Р)лТгл , КТф

(1 -Р)Т

, К

То

(1 -л)То К (1 -Р)ЛТгл , Р

(1 -Р)Тг

(3)

^ (1 -Р)пТГл'

Для учета неоднородности фонового шума примем следующее соотношение между радио-яркостной температурой исследуемой области и фонового излучения Тф = аТгл . Тогда соответствующие коэффициенты влияния относительных погрешностей оценок параметров равны

Кт. =

1

(

(1 -Р)л

Т

(1 -(1 -а)р)л + =°-(1 -л)

Л

К =р(1 -а) К =

Р (1 -Р)л, л (1 -Р)Тг

К = ар ■ Ктф = (1 -Р),

1 - (1 - а)Р

(1 -р) '

К (1 -л)Т о

То = (1 -Р)лТг

(4)

Результаты оценки коэффициентов влияния по выражениям (4) для значений измеряемой радиояркостной температуры, соответствующих отношению То/Тгл = 2о и То/Тгл = 2, при КПД антенно-фидерного тракта л = о.85 и коэффициенте рассеяния антенны Р = о.3 , приведены на рис. 1.

1^ 30 ^3.5 27 25.5 24 22.5 V. 19.5 1Э 15 33.5 12 ю.; 9 ‘5 6 Д. 5 3 1-5 0 К 7 6.65 <5.3 5.95 5.6 525 4.9 4.15 4 2 3.5 з.:; 2.8 2.45 1.75 1.4 1.05 0.7 0.^5 0 0

■'1 « Л -

-» А

*■ ~ - - 1

7

.*»■

1И ...Г а

и

) С ., я

.5 . 1 £ А .5 5 * 4 .5 5 .5 5 б ,5 7 7 .5 8 .5 9 5 .5

2

_■ ’

-■■■

-

-■■■ г'

+

^' у

У 1

г

Ч V -■

1V > /

"“к' V * ч

■ ,

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 -4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 Т.5 в 8.3 9 9.5 10

а - б &

Рис. 1. Зависимость коэффициентов влияния погрешностей оценки параметров на величину общей относительной среднеквадратической погрешности измерения радиояркостной температуры от коэффициента неоднородности радиошумового излучения окружающего пространства а при:

а - Т о/Тгл = 2о; б - То/Тгл =2: 1 - К л ; 2 - КТа ; 3 - КТо ; 4 - КТф и 5 - К Р

Принятый в расчетах диапазон значений коэффициента неоднородности радиошумового излучения окружающего пространства а от о до 1о можно разделить на следующие две характерные части: ае [о;1] - радиояркостная температура фонового излучения в среднем меньше радиояркостной температуры исследуемой области и а > 1, если фоновый шум превышает уровень радиошумового излучения области зондирования.

Полученные зависимости коэффициентов влияния погрешностей оценки параметров на величину общей относительной среднеквадратической погрешности измерения радиояркостной

гл

температуры показывают, что наибольший вклад в общую погрешность измерения Тгл дают погрешности оценки КПД антенно-фидерного тракта КЛ и измерения, относительный вклад погрешностей 8Тф и 8р повышается с уменьшением отношения Т0 /Тгл и с увеличением неоднородности фонового шума.

Известно, что существенное снижение погрешности измерения Тгл наблюдается при градуировке шкалы радиометра в величинах антенной температуры на выходе антенны при введении соответствующей внутренней и внешней калибровки. Тогда измеряемая радиояркостная температура Тгл оценивается по выражению

Тга =

ЛР

1

1 -Р’

(5)

где Тяк - радиояркостная температура внешнего калиброванного источника радиошумового излучения; LS - параметр, характеризующий коэффициент усиления радиометра, определяемый по результатам внутренней и внешней калибровки; иа - амплитуда выходного сигнала системы в режиме измерения; u0k - амплитуда выходного сигнала системы при снятии модуляции в режиме калибровки; uak - амплитуда выходного сигнала системы при внешней калибровке.

Общая среднеквадратическая погрешность таких измерений оценивается по формуле

8Тгл » КТяк 8Тяк + КТф 8Тф + КТ0 8Т0 + КР8Р + КТ8Т, (6)

где 8Т = аТ / Так, ат - чувствительность радиометра; коэффициенты влияния погрешностей оценки параметров при неоднородности фонового шума ( Тф = аТгл ) равны

(

К

тг

Тт Т,

л

Т

(1 -(1 -а)р)

о У

То

(1 -Р)Т" 1 - Т"-(1 -(1 -а)Р)

Т

К

Т--(1 -(1 -а)Р)

Тяк

(1 -р)

т,

Т.

-(1 -(1 -а)Р)

КТ =

■Д Ь-

Т

л(1 -(1 -а)р)+(1 -л)

Т

Т

(1 -Л)

(1 -Р)Т о/ Тяк

X

т

Р + як

Т

Л(1 -(1 -а)Р)+(1 -л)

Т

Т

Т

V як

Л-Л(1 -(1 -а)Р)

V

+-

Т

Т

л(1 -(1 -а)р)+(1 -л)

(

Т

Т

V гл

Л-Л(1 -(1 -а)Р)

V

(7)

Результаты оценки коэффициентов влияния по выражениям (7) для двух значений измеряемой радиояркостной температуры, соответствующих отношению Т 0 /Тгл = Р0 и Р при КПД антеннофидерного тракта Л = 0.85 и коэффициенте рассеяния антенны Р = 0.3, приведены на рис. Р.

Полученные зависимости коэффициентов влияния погрешностей оценки параметров на величину общей относительной среднеквадратической погрешности измерения радиояркостной температуры позволяют сделать следующие выводы:

- определяющее значение для погрешности измерения радиояркостной температуры имеет величина чувствительности радиометра и соответственно коэффициент Кт, его величина как минимум на порядок превышает коэффициенты влияния погрешности оценки остальных пара-

иа и0к

иак и0к

1

метров при зондировании высокотемпературных и низкотемпературных областей окружающего пространства;

- для проведения окончательного анализа влияния составляющих погрешностей измерения радиояркостной температуры необходимо учесть реально достижимую величину каждой относительной среднеквадратической погрешности в выражении (6).

Рис. 2. Зависимость коэффициентов влияния погрешностей оценки параметров на величину общей относительной среднеквадратической погрешности измерения радиояркостной температуры от коэффициента неоднородности радиошумового излучения окружающего пространства а: а - при Т0/Тгл = 20; б - Т0 /Тга = 2: 1 - Кт; 2 - Кто; 3 - кТк; 4 - ^ и 5 - Кр

Известно, что относительные среднеквадратические погрешности измерения параметров радиотеплолокационной системы равны 5Тф = 0.1, 8Тяк = 0.1, 5То = 0.01, 8р = 0.1 [2]. Для сравнительной оценки величины составляющих относительной погрешности 8Тгл чувствительность радиометра примем равной ст = 1К, 0.1К и 0.01К, что определяет среднеквадратическую погрешность измерения 8т =ат / Так. Если принять в качестве наименьшего значения Так = 10К, то соответствующие величины окажутся равными 8 т = 0.1, 0.01 и 0.001.

На рис. 3 приведены зависимости среднеквадратической погрешности измерения Тгл и отдельных ее составляющих для различных условий измерения.

Анализ приведенных на рис. 3 зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

- относительная среднеквадратическая погрешность измерения радиотеплолокационной системой 8Т л увеличивается с ростом коэффициента неоднородности фонового шума а, в среднем увеличение коэффициента неоднородности а на 10% приводит к возрастанию погрешности 8Тгл на 1%;

- анализ относительного вклада в общую погрешность измерения 8 т погрешностей оценки

параметров радиотеплолокационной системы и характеристик фонового шума показал, что при увеличении чувствительности радиометра перераспределяется относительный вклад указанных погрешностей, так при высокой чувствительности основные составляющие погрешности 8Т л

обусловлены неточностью оценки фонового шума 8Тф и коэффициента рассеяния антенны 8р;

- относительный вклад погрешности оценки фонового шума 8Тф в общую погрешность измерения радиояркостной температуры 8т тем существеннее, чем больше радиояркостная температура области исследования при одних и тех же значениях чувствительности радиометра.

Рис. 3. Зависимость относительной среднеквадратической погрешности измерений Тгл и ее составляющих от коэффициента неоднородности фонового шума а при Т 0 /Тгл = 2, Т0/ Тк = 3 и чувствительности радиометра 1К (а) и 0.1К (б), при Т0 /Тгл = 20, Т0 /Тяк = 30 и чувствительности радиометра 0.1 К (в) и

°.°1К (г): 1 - 8тгл ; 2 - Кт8т ; 3 - КТ0 8Т0 ; 4 - КТак8Так ; 5 - КТф 8Тф ; 6 - КР8Р

Анализ приведенных на рис. 3 зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

- относительная среднеквадратическая погрешность измерения радиотеплолокационной системой 8Т л увеличивается с ростом коэффициента неоднородности фонового шума а, в

среднем увеличение коэффициента неоднородности а на 10% приводит к возрастанию погрешности 8Тгл на 1%;

- анализ относительного вклада в общую погрешность измерения 8т погрешностей оценки

параметров радиотеплолокационной системы и характеристик фонового шума показал, что при увеличении чувствительности радиометра перераспределяется относительный вклад указанных погрешностей, так при высокой чувствительности основные составляющие погрешности 8т

обусловлены неточностью оценки фонового шума 8Тф и коэффициента рассеяния антенны 8р;

- относительный вклад погрешности оценки фонового шума 8Тф в общую погрешность измерения радиояркостной температуры 8Т тем существеннее, чем больше радиояркостная температура области исследования при одних и тех же значениях чувствительности радиометра.

Заключение

В условиях современных тенденций значительного повышения чувствительности радиоте-плолокационной аппаратуры неоднородность фонового шума оказывается основным сдерживающим фактором повышения точности абсолютных измерений радиояркостной температуры, чем определяется перспективность направления разработки радиотеплолокационных систем, обеспечивающих компенсацию влияния фонового шума на результаты измерений [4, 5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

2. Котляр И.Б., Хапин Ю.Б. Анализ погрешностей абсолютных измерений излучения в микроволновом диапазоне. В кн.: Радиофизические методы исследования природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - Вып. 26. - С. 79-85.

3. Рабинович Ю.А., Щукин Г.Г., Волков В.Г. О возможных погрешностях абсолютных измерений радиоизлучения. - Труды ГГО. - 1968. - Вып. 222. - С. 138-148.

4. Фалин В.В., Федосеева Е.В., Щукин Г.Г., Ермаков Р.Л., Шашкова Е.А. Построение адаптивных радиометрических систем дистанционного зондирования // Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО). - 2001. - Вып. 3 (549). - С. 222 - 238.

5. Федосеева Е.В., Ростокин И.Н. Радиометрическая система с дополнительным каналом формирования сигнала компенсации // Труды ГГО. - 2010. - Вып. 562. - С. 243 - 257.

ERROR OF ABSOLUTE RADIO HEATLOCATIONAL MEASUREMENTS IN CASE OF THE NON-UNIFORM AMBIENT NOISE

Fedoseeva E.V., Schukin G.G.

In article the valuation method of an error of absolute radio heatlocational measurements is considered in case of carrying out measurements in the conditions of the non-uniform ambient noise of environmental space.

Key words: absolute radio heatlocational measurements, the non-uniform ambient noise, the relative error of measurement.

Сведения об авторах

Федосеева Елена Валерьевна, окончила Муромский филиал ВПИ (1984), кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета, автор более 80 научных работ, область научных интересов - радиотеплолокационные системы, антенные измерения, техника СВЧ.

Щукин Георгий Георгиевич, 1938 г.р., окончил ЛИТМО (1961), заслуженный деятель науки Российской Федерации и Кабардино-Балкарской Республики, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, автор более 400 научных работ, область научных интересов - радиометеорология, распространение радиоволн, дистанционное зондирование.