CC BY
7Электродинамика и антенные системы
УДК 621.396.67
ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ МНОГОЧАСТОТНОЙ СВЧ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МЕТЕООБРАЗОВАНИЙ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ФОНОВЫХ ШУМОВ
Ростокин Илья Николаевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление и контроль в технических системах» Муромского института (филиала) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени
Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
E-mail: [email protected].
Федосеева Елена Валерьевна
кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника» Муромского института (филиала) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
E-mail: [email protected]. Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, д. 23.
Щукин Георгий Георгиевич
доктор физико-математических наук, профессор Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского.
Е-mail: [email protected]. Адрес: 197082, С.-Петербург, Ждановская, 13.
Ростокина Елена Анатольевна
кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление и контроль в технических системах» Муромского института (филиала) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени
Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
E-mail: [email protected]. Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, д. 23.
Аннотация: Представлена система сбора и обработки данных измерений многочастотного СВЧ радиометрического метеокомплекса, предназначенного для оперативного контроля состояния метеообразований с компенсацией влияния фоновых шумов. Показана структура и основные параметры функциональных узлов системы сбора и обработки экспериментальных данных. Представлены результаты СВЧ радиометрических исследований зимней атмосферы.
Ключевые слова: система сбора и обработки данных, многочастотная СВЧ радиометрическая система, компенсация фоновых шумов.
Введение
На основе СВЧ радиометрических измерений возможна организация дистанционной непрерывной оценки физических параметров исследуемых природных сред по уровню их собственного радиошумового излучения [1]. Возможности структурного и пространственного
анализа состояния исследуемой области расширяются при переходе к многочастотным измерениям с реализацией углового сканирования.
При СВЧ радиометрических исследованиях метеообразований атмосферы, и прежде всего облачности и связанных с ней опасных явле-
ний погоды (ливень, гроза, град, смерч), выполнение измерений в нескольких частотных диапазонах позволяет отслеживать разные этапы их развития, в частности, изменение характера облачности, влагозапаса атмосферы, интенсивности осадков. Выполнение углового сканирования в процессе проведения измерений даёт возможность исследовать пространственный характер изменения метеопараметров, в частности, при смене угла места можно получить высотные профили водозапаса облаков [1-5].
Изменение углового положения антенны СВЧ радиометрической системы относительно поверхности земли приводит к изменению вклада радиошумового излучения подстилающей поверхности - фонового излучения - во входной сигнал системы, принимаемого через область рассеяния диаграммы направленности антенны. Его влияние сказывается в случайных вариациях помехового прироста входного сигнала системы [6-8]. В связи с этим для повышения точности радиометрических измерений необходима компенсация влияния фоновых шумов на системном уровне. Её можно выполнить при приёме дополнительного сигнала по специально организованному антенному каналу с последующим выполнением разностного алгоритма выделения информационной составляющей входного сигнала [9-15].
Осуществление многочастотных СВЧ радиометрических измерений с выполнением углового сканирования связано с регистрацией, упорядочиванием и обработкой большого количества первичных результатов измерений, что привело к необходимости решения задачи построения специальной системы сбора и обработки данных многочастотной СВЧ радиометрической системы.
Представленная в данной работе система сбора и обработки данных многочастотной СВЧ радиометрической системы контроля состояния метеообразований с компенсацией фоновых шумов позволяет в автоматическом режиме регистрировать и обрабатывать первичные радиометрические данные от этапа
оцифровки до решения задач оценки состояния метеообразований с возможностью введения операций корреляционного и регрессионного анализа.
Задачи и структурный состав системы сбора и обработки данных
Система сбора и обработки формирует комплекс данных по результатам измерений в трёх частотных диапазонах (1,35 см; 3,2 см; 7,5 см) СВЧ радиометрической системой с компенсацией фоновых шумов. При этом для каждого частотного диапазона на вход системы сбора и обработки данных поступают три измерительных сигнала: два сигнала основного измерительного канала на двух ортогональных поляризациях (горизонтальная и вертикальная) при преимущественном приеме радиошумового излучения по главному лепестку диаграммы направленности антенны и сигнал компенсации по дополнительному антенному каналу при приёме излучения из угловой области рассеяния диаграммы направленности антенны [9-13].
Исходя из условий функционирования многочастотной СВЧ радиометрической системы с компенсацией фоновых шумов и задач оценки состояния метеообразований, система сбора и обработки данных должна обеспечивать решение следующих задач:
- оцифровка данных измерений многочастотной СВЧ радиометрической системы;
- экспорт полученных данных в файлы различных форматов;
- программная реализация процедуры разностного алгоритма компенсации фоновых шумов по каждому частотному каналу;
- преобразование уровня выходных сигналов измерительной системы в величины ра-диояркостных температур при учёте данных процедуры калибровки по каждому каналу в отдельности;
- реализация математических операций корреляционного и регрессионного анализа для выполнения оценки метеорологических параметров метеообразований атмосферы по ре-
Рис. 1. Трёхканальный СВЧ радиометрический комплекс контроля состояния метеообразований: КД -многоканальный квадратичный детектор; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер с прикладным программным обеспечением; МЕТЕО - профессиональная метеостанция с цифровым выходом; ВИДЕО - система фото и видео фиксации состояния атмосферы
зультатам дистанционных многочастотных СВЧ радиометрических измерений.
Структурный состав разработанного трёх-канального СВЧ радиометрического комплекса со специальной системой сбора и обработки данных измерений для контроля состояния метеообразований приведён на рис.1.
Основные функциональные части системы сбора и обработки данных:
- многоканальный квадратичный детектор (КД), позволяет одновременно преобразовать мощность каждого микроволнового измерительного канала (Р^О ... Р9(0) в уровни постоянного напряжения (^(0 ... и9(0), достаточные для последующей оцифровки;
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для оцифровки, хранения и экспорта получаемых данных в файлы различных форматов (*.Ш, *.data). АЦП имеет следующие основные характеристики: 32 канала аналогового ввода; разрешение 12 бит; регулируемый коэффициент усиления 1, 10, 100, 200; диапазон входного сигнала ±10 В; ±1 В; ±0.1
В; ±0.05 В; подключение к USB-порту персонального компьютера или ноутбука;
- метеостанция Conrad Professional USB WH2080 (МЕТЕО) предназначена для сбора и отображения основных метеорологических параметров на позиции многочастотной микроволновой радиометрической системы: внутренней и внешней температуры воздуха, внутренней и внешней влажности, количества осадков, скорости и направления ветра, атмосферного давления. Измеренные данные наружных датчиков передаются на метеостанцию по беспроводной технологии на частоте 868 МГц;
- система видеонаблюдения (ВИДЕО) предназначена для визуального контроля состояния атмосферы в осевом направлении визирования микроволновой радиометрической системы, а также оперативного визуального контроля работоспособности основных электромеханических приводов микроволновой радиометрической системы. Система состоит из двух камер высокой четкости и производит непрерывную запись видео, аудио и фото материалов в ре-
WKTJWÄIH
9 U-IU'l^LU
't ймпяинк
# JüCMHKlT'lHt
f ОСщм?
t НЫЛнк! LtnUMI
альном времени на управляющий компьютер. Угол обзора объектива камер 170° (F=2,5, f=2,3 mm) (х2), качество видео 2х Full HD 1080р (1920x1080) @ 30fps, 2х HD 720р (1280x720) @ 30fps, формат записи MPEG4, коммутация с компьютером HDMI или USB 2.0;
- персональный компьютер (ПК) предназначен для визуализации, хранения, обработки и передачи получаемой информации от микроволновой радиометрической системы. Системные требования к управляющему компьютеру определяются используемым программным обеспечением и объемом получаемых данных; минимальные требования к операционной системе: наличие USB-порта не ниже 2.0; процессор - не ниже Celeron 600 МГц; оперативная память - не менее 256 Мб; объём жёсткого диска определяет продолжительность записи (не менее 10 Гб); операционная система - не ниже Windows 2000; на компьютер устанавливается программа регистрации данных радиометрических измерений, которая обеспечивает предварительную подготовку к измерениям, проведение измерений, поддержание базы данных с результатами измерений, визуализацию и просмотр результатов в виде графиков, документирование и экспорт данных измерений, возможность распечатки результатов измерений.
Условия и порядок функционирования системы сбора и обработки данных
Функционирование системы сбора и обработки данных в составе многочастотной микроволновой радиометрической системы начинается с
Ц: I «он Уснп^; I ДР I ■
ШКЛШИ
I я *
1 и ID
4 и ID
i и ID
i и ID
7 И ID
t н D
* К V
1D В D
11 В 0
12 И D
13 № 0
11 № D
IS □ D
16 ■ li
а) выбор параметров сбора данных
Скисли Задачи [График Катало» 2)
ЕЕ
□ а
□ 9
□ ш
□ II
□ 12
□ 13
□ 1+
□ 15
□ 16
□ 17
□ 1В
BSTOCH3« ДОП7.*« ПОР ОСИ За ОСН 7.5 Оч ДОПЗси 1.3S«
КАШ-9 Kaffc'-tfl (Сим-и Калл-.12 Кнп-13 КЛпЬГ.-14 Канал-IS Канал-Ii Кант-17 Kjw.-ia
С АйГйСь&САМГШйч*
«»л«.«« т—
I BbdC0£i« пЯГрЛйг**
C№tl)£tKMiv
J
J
б) выбор диапазона измерений Рис. 2. Этапы предварительной настройки системы сборки и обработки данных
подачи на входы АЦП сигналов от многоканального квадратичного детектора и подключения АЦП к ^В-порту персонального компьютера.
После запуска программы регистрации устанавливаются параметры сбора данных (рис. 2а) и задаётся диапазон изменения входного напряжения (рис. 2б).
После проведения предварительных настроек система сбора и обработки данных готова к выполнению измерений. Пример визуализации первичных данных многочастотных микроволновых радиометрических измерений - значений выходных напряжений -представлен на рис. 3.
Обозреватель Задач
График Каналов 2
ГЦ*]
Разнесение Каналов
Показать Все Каналы
Спрятать Все Каналы | Экспорт |
Вид № | Название Цвет
2 М 2 ВЕРТССНЗ... 3 ДОП 7,5 см
4 ГОР ОСН 3 см
5 ОСН 7,5 см
Е 7 1.35 см
И -
г.,™ Г
|>:
. ГраФнк Каналов 2
5-'.....
4-.....
:ч ........1...Г 1 г—--
--1 Н —-—_ -ц ||
1-—-.............. О-Т-,-,-,- ——— _ -1-1-г- 1_ -г 1_!____ ...л -'-'-
13:53:20 16:40:00
Рт>омЯг м"ч : мм: с.г.
Рис. 3. Пример визуализации первичных данных радиометрических измерений
Для системы сбора и обработки была составлена специальная программа обработки и анализа данных многочастотных микроволновых измерений, позволяющая не только адаптировать визуализацию результатов под задачи анализа, но и включать определённую математическую обработку результатов, как совместную для всех частотных каналов одновремен-
но, так и отдельную для определённого канала.
Пользовательский интерфейс программы представлен на рис. 4.
Вкладка «Калибровка шкалы» меню «Настройки» позволяет откалибровать вертикальную ось графика в следующих величинах: температура, напряжение, децибелы, единичная. Последние две величины используются при ис-
:Н
Настройки Операции
• Ь х X Л
ш
Е|р а
20.03.2016 г.
3.2 см ОСН ВЕР-7.5 см ОСН 3.2 см ОСН ГОР 7.5 см ДОП
""щ дпп
1.35 см ОСН ГОР
III 11111111 И11|1111 11111111 11111111 II I ■ ■ 11 ■ I 11111111 11111111 I IIIIII [И 1111111 11111111 I 1111II11| III11111 I 1111111111111111 1|111111 I 11111111 IIIIIII И 1111111 I 111111 I 1111III И III1111 I 111111 I II
12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00
Время, чч:мм:сс
Рис. 4. Калибровка данных измерений
# Graf
Настройки Операции
* V | ГС & X | Л
20.03.2016 г.
1ЯГ 90*'
га
а.
(f
| 6(Г-ф
я 50--
зо:-20"'
10"
r_ HacipoÜKa графика
Ц—
Подпись графика 20.032016 г.
Подпись оси X Время, чч:мм:сс
Подпись оси У Радиояркостная температура.
График
[У] Отображать настраеваемую шкалу [ Слева т | [У] Отображать шкалу напряжения | Справа ^ |
0 Отображать шкалу времени П Отображать сырую шкалу
Отображать легенду
1 I Отображать курсор
Настройка линий
| Применит^
£ Настройка л
3.2 см OCH ВЕРТ
3.2 сч ОСН ВЕР"
Название Толщ/-алинии 1
Тип линии |
|_Ее-линии
|У1 Ото6рагжатьли|нлю
| Прим
' 3.2 см ОСН ВЕРТ ' 7.5 см ОСЧ " 3.2 см ОСН ГОР - 7.ГСМ-ДОП
-
' 1.35 см ОСН ГОР
j-0,1 0,09 1-0,08 1-0,07
■0,03 ■0,02 ■0,01
111111111111111111111111111111111 12:00:00 11111111111111111111 ■ 13:00:00 1 и 111111111111111111111111111111 и 1111111111111111111 ■ 111111111111111111111111111 ■ 11111111 ■ 111111111111111111 ■ 11111 ■ 11 ■ 11111 ■ 111111111111111111111111 ■ 11 ■ 14КХ11Ю 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:ЗС:СЭ Время, чч:мм:сс
Рис. 5. Настройка режимов визуализации
следовании направленных свойств (диаграмм направленности) антенны многочастотной микроволновой радиометрической системы.
Вкладка «Настройка графика» позволяет пользователю задать название графика и подписи всех его осей (рис. 5), а также настроить отображение измерительных шкал графика,
свойств легенды и курсора графика. Вкладка «Настройка линий» позволяет для каждого измерительного канала задать название, толщину, тип и цвет отображаемой линий.
Вкладка «Математические операции» позволяет производить основные математические операции (сложение, вычитание, умноже-
4 _
Файл Настройки Операции
Г - Ь * £ X Л
20.03.2016 г.
3.; см осн ВЕР-7.5 см ОСЧ 3.2 см ОС- ГОР 7/Гсн ДОГТ 3.1 ¿С 1.35 см ОСН ГС:
«а II
Рис. 6. Настройка режима математической обработки результатов
ние и деление) между измерительными каналами, а также между любым измерительным каналом и числовыми значениями коэффициентов регрессии при решении обратных задач.
В системе обработки данных предусмотрена программная процедура компенсации влияния фонового излучения, при этом выполняется операция вычитания сигнала ДОП - канала каждого частотного диапазона из сигналов ОСН - каналов ВЕРТ и ГОР поляризации соответствующего частотного диапазона. При наличии различий уровня сигналов на вертикальной и горизонтальной поляризации программно реализуется определение временного тренда поляризационного контраста. Пример результатов выполнения указанной процедуры показан на рис. 7.
Результаты измерений радиотеплового излучения атмосферы трехканальным СВЧ радиометрическим комплексом
Интересная метеорологическая ситуация была зафиксирована с 18:44:00, 22.02.2016 г. до 09:00:00, 23.02.2016 г. в районе загородного полигона с координатами (широта 55°26^,
долгота 42°1'Е), расположенного на расстоянии 20 км от г. Мурома. В течение данного периода наблюдений происходило выпадение как твердых обводнённых атмосферных осадков (мокрый снег) при небольших отрицательных температурах, так и выпадение жидких осадков (дождь) при положительных температурах, что позволило оценить влияние сложных зимних метеоусловий на результаты многочастотных микроволновых исследований радиотеплового излучения атмосферы.
За данный период наблюдений температура воздуха изменялась от минус 1,2 °С до + 2,5 °С, относительная влажность от 97 % до 76 %, атмосферное давление от 734 мм.рт.ст. до 743 мм.рт.ст, скорость ветра от 2 м/с до 8 м/с с порывами до 12 м/с.
Начиная с 18:44:00, 22.02.2016 г., и до 23:44:00, 22.02.2016 г., наблюдалась слабая метель, сопровождавшаяся налипанием мокрого снега на провода, температура воздуха изменялась от минус 3,8 °С до 0 °С, после 23:44:00, 22.02.2016 г., и до конца наблюдений 09:00:00 23.02.2012 г., температура воздуха постепенно повышалась до + 2,5 °С с неболь-
Результирующий график
Настройки Операции
* 5Х л
ИГ-
20.03.2016 г.
02 см ОСН ЗЕ-Т- 3.2 см ДСПНЭ.2 см ОСН ГОР-3.2 см ДОГ)]
Рис
7. Временная зависимость поляризационного контраста радиотеплового излучения атмосферы по данным измерений на длине волны 3,2 см
22/02/16 IS :44 22/02/16 21:08 22/02/16 23:32 23/02/16 1:56 23/02/16 4:20 23/02/16 6:44 23/02/16 9:
0.9------------------------------------
• о.8------------------------------------
0.7------------------------------------
К 0.6------------------------------------
а ы
g 0.5
(S 0.4
ш 0.3
к
м 02
К 0.1------------------------------------
221021 Iß ]8:44 22,'02,'lß 2108 22/02/16 23:32 23,'02,'lß 1:5G 23,'02,'lß 4 20 23/02/1E 6:44 23,'02,'lß 9:0
22,'02,'lß 1S:44 22,'02,'Iß 21:00 22,'02,'Iß 23:32 23,'02,'Iß 1:56 23,'02,'Iß 4:20 23,'02,'Iß 0:44 23,'02,'lß 9
Рис. 8. Основные метеорологические параметры атмосферы от 18:44:00 22.02.2016 г. до 09:00:00 23.02.2016 г. по данным метеостанции Conrad Professional USB WH2080
шим спадом до минус 0,2 °С в районе 07:50:00, 23.02.2016 г. В период с 03:49:00 до 04:49:00, 23.02.2016 г. зафиксировано выпадении жидких осадков с интенсивность 0,9 мм/ч, а с 05:24:00 по 06:19:00, 23.02.2016 с интенсивность 0,6 мм/ч.
Основные метеорологические параметры атмосферы за период наблюдений от 18:44:00 22.02.2016 г. до 09:00:00 23.02.2016 г. по данным автоматизированной метеостанции, установленной на позиции многочастотной микро-
волновой радиометрической системы, представлены на рис. 8.
Результаты измерений многочастотной СВЧ радиометрической системы приведены на рис.9.
Анализируя характер изменения радиотеплового излучения зимней атмосферы за данный промежуток времени, можно сделать следующие выводы: при выпадении снега наиболее чувствительным является 3,2 см канал; в процессе последующего потепления и увеличения влажности снега и выпадения снега с дождем, в канале 1,35 см снижается чувствительность к изменению состояния атмосферы и наблюдается насыщение выходного сигнала; в условиях выпадения сильного мокрого снега наиболее чувствительным к изменению его интенсивности является канал 7,5 см.
В результате последующей обработки результатов измерений выполнена калибровка данных по каждому частотному каналу отдельно и проведена компенсация влияния фонового излучения. На рис. 10 приведены результаты такой обработки для данных измерений на длине волны 7,5 см.
На рис.10 приведено графическое представление временных зависимостей антенной температуры СВЧ радиометрической системы при измерениях радиотеплового излучения атмосферы без компенсации фонового излучения (7,5 ОСН ВЕРТ) и при выполнении данной компенсации (7,5 ОСН ВЕРТ-ДОП). Сформированные массивы численных данных СВЧ радиометрических измерений и синхронизированных по времени данных регистрации основных метеорологических характеристик позволяют решать аналитические и исследовательские задачи с реализацией корреляционных и регрессионных оценок.
22.02.2016 г., 18:44:00 Каналы 1.35 см, 3.2 см, 7.5 см
Время, чч:мм:сс
Рис. 9. Результаты первичных СВЧ радиометрических измерений атмосферы в трёх частотных диапазонах
Заключение
В процессе выполнения данной работы была реализована специальная система сбора и обработки данных многочастотной СВЧ радиометрической системы контроля состояния метеообразований с компенсацией фонового шума. Данная система позволяет осуществлять регистрацию данных как первичных измерений интенсивности радиотеплового излучения атмосферы во всех частотных диапазонах, так
и основных метеорологических параметров на позиции установки радиометрической системы. Кроме того, она обеспечивает математическую обработку результатов в процедурах компенсации фонового излучения и калибровки значений выходных сигналов в величинах радиояркостной температуры с возможностью введения корреляционной и регрессионной обработки результатов или экспорта этих данных во внешние математические приложения
22.02.2016 г., 18:44:00 Каналы 7.5 см
Время, чч:мм:сс
Рис. 10. Результаты обработки данных СВЧ радиометрических измерений радиотеплового излучения
атмосферы на длине волны 7,5 см
для решения обратных многопараметрических задач микроволновой радиометрии атмосферы.
В данной работе применена отдельная независимая регистрация данных измерений всех микроволновых каналов, что позволяет скомпенсировать влияние помехового фонового излучения непосредственно в процессе измерения, а также произвести процедуру компенсации влияния фоновых шумов по желанию наблюдателя в постобработке данных в соответствии с алгоритмом, подробно изложенном в работах [9, 10].
Литература
1. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 283 с.
2. Караваев Д.М., Щукин Г.Г. Применение методов СВЧ-радиометрии для диагноза содержания жидкокапельной влаги в облаках // Тр. НИЦ ДЗА. Сер. Прикладная Метеорология. - 2004. - Вып.5 (533). - С.99-120.
3. Ware R.A. A multichannel radiometric profiler of temperature, humidity, and cloud liquid // Radio Science. - 2003. - 38, 4, 8079.
4. A network suitable microwave radiometer for operational monitoring of cloudy atmosphere // t.Rose, et.al. Atmosheric Reseach. - 2005. - p. 183-200.
5. Pranab Kumar Karmakar Ground-Based Microwave Radiometry and Remote Sensing. Methods and Applications, CRC Press 2013. Print ISBN: 978-14665-1631-1, eBook ISBN: 978-1-4665-1632-8.
6. Федосеева Е.В. Анализ погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции в системах пассивной тепловой радиолокации // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2013. - №1 - С.4 - 9.
7. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Вопросы метрологического обеспечения радиотеплолокационных измерений в условиях действия внешних шумовых помех: моногр. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2012. -104 с.
8. Федосеева Е.В. Результаты оценки относительного уровня принимаемой мощности из обла-
сти рассеяния ДН антенн в системах пассивной тепловой радиолокации // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2012. - №3 (7) -С.32 - 38.
9. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г., Ростокин И.Н., Ростокина Е.А. Компенсация помех в работе СВЧ радиометрических систем // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2014. - №1 -С.50 - 62.
10. Патент ПМ № 91630 Радиометрическая система с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех / Федосеева Е.В. Опубл.: 20.02.2010 г., Бюл. №5.
11. Ростокин И.Н., Федосеева Е.В. Вопросы построения многочастотной СВЧ радиометрической системы дистанционного зондирования облачной атмосферы с компенсацией фонового излучения / Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2015. - №1 - С.5 - 12.
12. Fedoseeva E.V. An Estimate of the Error of Measurements of Radio Brightness Temperature in Radio-Heat Location Systems for Monitoring Meteorological Parameters with Background Noise Compensation // Measurement Techniques. - March 2015, Vol.57, Issue 12. - pp. 1463-1468.
13. Ростокин И.Н., Федосеева Е.В. Исследование антенного устройства трехдиапазонной СВЧ - радиометрической системы дистанционного зондирования атмосферы с компенсацией влияния фонового излучения // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2015. - №3. - С. 94 - 100.
14. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N., Schukin G.G. The study of polarimetric properties microwave radio-metric system atmospheric sounding background noise compensation // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.
15. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N., Fedoseev А.А. Research mode dual-band antenna splitter dual-channel microwave radiometric system with compensation of background noise // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.
Работа выполнена при поддержке РФФИ грант №14-02-97510 рцентра. Поступила 10 января 2017 г.
=English
Organizational tasks and principles for data collecting and handling system of multi-frequency microwave radiometric monitoring system of cloud liquid with background noise compensation
Ilia Nickolaevich Rostokin - Candidate of Engineering, Associate Professor, Department of Monitoring and Control in Technical Systems Murom Institute (branch) federal state budgetary ed-
ucational institution of higher professional education "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
E-mail: [email protected].
Elena Valerjevna Fedoseeva- Doctor of Engineering, Associate Professor, Department of Radio Engineering Murom Institute (branch) "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
E-mail: [email protected].
Address: Orlovskaya st., 23, Murom, 602264, Russia.
Georgy Georgievich Schukin - Doctor of Physics and Mathematics, Professor Chief Research Scientist Mozhaisky Military Space Academy.
E-mail: [email protected].
Address: 197082, St. Petersburg, Zhdanovskaya, 13.
Elena Anatoljevna Rostokina - 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".
E-mail: [email protected].
Address: Orlovskaya st., 23, Murom, 602264, Russia.
Abstract: The article presents measurement data collecting and handling system of the multi-frequency microwave radiometric weather facilities designed for operating control of cloud liquid with background noise compensation. The following main tasks of the system were stated from the perspective of research problems and ambient noise compensation method when forming compensation auxiliary signal in the antenna channel output with reception from the angular area of the corresponding dispersion region of the main antenna channel directional diagram with the subsequent defining the difference between the main signal and the compensation signal: digitizing these measurements, exporting the obtained data into files of various formats, difference algorithm software implementation for ambient noise compensation in each frequency channel, output signal level conversion of the measuring system into radio brightness temperature values with regard to calibration procedure data in each separate channel, implementation of correlation and regression analysis mathematical operations to estimate the meteorological parameters of atmospheric cloud liquid. Three-band microwave radio-metric system serves as an example to implement measurement data collecting and handling system, its structural composition is given, functioning terms and conditions are considered, user's interface features of data handling program are examined. Measurement data graphical representation of the winter atmospheric thermal radio radiation in severe weather conditions is given as an example to demonstrate results of the functioning system in question.
Key words: data collecting and handling system, multi-frequency microwave radiometric system, ambient noise compensation.
References
1. Stepanenko V.D., Schukin G.G., Bobyliov L.P., Matrosov S.Yu. Infrared detection in meteorology. - L.: Gidrometeoizdat, 1987. - 283 p.
2. Karavayev D.M., Schukin G.G. Microwave radiometry method application to detect liquid-drop moisture in clouds. -RC ARP Works. Iss. Prikladnaya Meteorologiya. - 2004. - Ed.5 (533). - p. 99-120.
3. Ware R.A. A multichannel radiometric profiler of temperature, humidity, and cloud liquid. - Radio Science. -2003. - 38, 4, 8079.
4. A network suitable microwave radiometer for operational monitoring of cloudy atmosphere. - t.Rose, et.al. Atmosheric Reseach. - 2005. - p. 183-200.
5. Pranab Kumar Karmakar Ground-Based Microwave Radiometry and Remote Sensing. Methods and Applications, CRC Press 2013. Print ISBN: 978-1-4665-1631-1, eBook ISBN: 978-1-4665-1632-8.
6. Fedoseyeva E.V. Measurement error analysis of radio brightness contrast using diagrammatic modulation in passive thermal radar detection systems. - Radiotekhnicheskiye i telekommunikatsionnye sistemy. - 2013. - No. 1 -p. 4 - 9.
7. Fedoseyeva E.V., Schukin G.G. Metrological support issues for infrared detection measurements amidst external noise: monogr. - Murom: Publ.Dpt. MI VLSU, 2012. - 104 p.
8. Fedoseyeva E.V. Assessment results of received power relative level from the antenna pattern dispersive area in passive thermal radar detection systems. - Radiotekhnicheskiye i telekommunikatsionnye sistemy. - 2012. - No. 3- p. 32 - 38.
9. Fedoseyeva E.V., Schukin G.G., Rostokin I.N., Rostokino E.A. Noise compensation in microwave radiometric system operation. - Radiotekhnicheskiye i telekommunikatsionnye sistemy. - 2014. - No. 1 (13) - P. 50 - 62.
10. Patent for useful model No. 91630 on. in bulletin No. 5 of 20.02.2010. Radiometric system with compensation of additive external background noise. - Fedoseyeva E.V.
11. Rostokin I.N., Fedoseyeva E.V. Development problems of multi-frequency microwave radiometric system for remote sensing the cloudy atmosphere with compensation of background radiation. - Radiotekhnicheskiye i telekommunikatsionnye sistemy. - 2015. - No. 1 - page 5 - 12.
12. Fedoseeva E.V. An Estimate of the Error of Measurements of Radio Brightness Temperature in Radio-Heat Location Systems for Monitoring Meteorological Parameters with Background Noise Compensation. - Measurement Techniques. - March 2015, Vol.57, Issue 12. - pp. 1463-1468.
13. Rostokin I.N., Fedoseyeva E.V. Antenna assembly research of three-band microwave - radiometric system for atmospheric remote sensing with background radiation compensation. - Radiotekhnicheskiye i telekommu-nikatsionnye sistemy. - 2015. - No. 3. - P. 94 - 100.
14. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N., Schukin G.G. The study of polarimetric properties microwave radiometric system atmospheric sounding background noise compensation. - 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 2123, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.
15. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N., Fedoseev A.A. Research mode dual-band antenna splitter dual-channel microwave radiometric system with compensation of background noise. - 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.
