Отметим, что все вопросы системного, технического характера, возникающие при разработке радиоакустических систем решались до сих пор инженерным, экспериментальным путем. Рассматривались возможности использования различных видов радиоантенн, акустических излучателей, радиоприемников, устройств выделения сигнала доплеровской частоты, схем и алгоритмов спектрального анализа [4].

Использование описанной системы радиоакустического зондирования позволяет с достаточно высокой точностью определять модуль сдвига ветра и направление сдвига на любых заданных высотах в пределах зоны действия системы в приземном слое атмосферы. Предельная высота зондирования определяется энергетическим потенциалом системы, которая может быть применена для метеорологического обеспечения взлёта и посадки самолётов.

зондирование атмосфера локатор частота

4. Измерение сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования

4.1 Качество измерений

Числовые значения величин находят путем измерения, т.е. узнают, во сколько раз значение данной величины больше или меньше значения величины, принятого равным единице. По способу получения числового значения измеряемых величин все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным. Точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость - это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях(в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного(действительного) значения измеряемой величины.

Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину.

Можно выделить следующие группы причин возникновения погрешностей, связанных:

- с операцией настройки средства измерений или со смещением уровня настройки средства измерений во время эксплуатации;

- с установкой объекта измерения на измерительную позицию;

- с процессом получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерения;

Или обусловленных:

- внешними воздействиями на средство и объект измерений;

- свойствами измеряемого объекта;

- квалификацией и состояние оператора и т.п.

Анализируя причины возникновения погрешностей, необходимо в первую очередь выявить те из них, которые оказывают существенное влияние на результат измерения.

4.2 Виды погрешностей

В зависимости от формы и выражения различают абсолютную и относительную погрешности измерений [31] .

Абсолютной называют погрешность измерений, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина. Например, в нашем случае, погрешность длины волны и частоты Доплера:

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины и выражается в процентах или долях измеряемой величины. Например, =0,069.

В зависимости от условий и режимов измерения различают статистическую и динамическую погрешности.

Статистической называют погрешность, не зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Примером статистической погрешности может служить аддитивная погрешность квантования, которая не зависит ни от абсолютного значения преобразуемой величины, ни от скорости ее изменения во времени.

Динамической называют погрешность, зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Возникновение динамической погрешности обусловлено инерционностью элементов измерительной цепи средства измерений, т.е. тем, что преобразования в измерительной цепи не происходят мгновенно, а требуют некоторого времени.

Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий.

В зависимости от характера проявлений, возможностей устранения и причин возникновения различают систематическую и случайную погрешности.

4.3 Подготовка к метрологической аттестации системы на этапе разработки

Каждый результат измерений, предназначенный для практического использования, должен сопровождаться указанием значений характеристик погрешности измерений, на основе которых он получен. Все практически используемые характеристики погрешностей измерений могут быть разбиты на две группы, отличающиеся областью применения и способами выражения.

К первой группе относятся характеристики, задаваемые в виде требований или допускаемых значений (норм) в конструкторско-технологической документации, нормативных документах, а также приписываемые методиками выполнения измерений на основании их метрологической аттестации.

Характеристики этой группы являются вероятностными, отражающими вероятностные свойства генеральной совокупности случайной величины - погрешности измерений. Значения этих характеристик (пределы допускаемых значений или максимально возможные значения) приписываются всей возможной совокупности результатов измерений, выполняемых по определенным, фиксируемым в технической документации правилам или по аттестованным методикам выполнения измерений.

Основной областью применения характеристик этой группы являются массовые технические измерения, выполняемые при технологической подготовке производства, в процессе производства (испытаниях, контроле) , эксплуатации и потребления продукции.

Ко второй группе относятся характеристики, оцениваемые непосредственно в процессе выполнения измерений и обработки их результатов. Данные характеристики являются статистическими (выборочными) оценками характеристик погрешности первой группы и отражают близость отдельного результата измерений к истинному значению измеряемой величины. Основной областью их применения являются измерения, выполняемые при проведении научных исследований и метрологических работ [30] .

4.4 Анализ системы радиоакустического зондирования. Метрологическая аттестация системы

Объектом исследования является однопозиционная система радиоакустического зондирования атмосферы.

Каждая система требует проведения метрологической аттестации на этапе проектирования. Исследуя погрешности данной системы радиоакустического зондирования атмосферы в приземном слое атмосферы, мы проводим анализ рентабельности системы, анализ приемлемости полученных результатов при работе системы, а также соответствие нормам и стандартам полученных величин и допустимых погрешностей.

Измеряется траектория движения акустического пакета. Центр радиус-вектора мгновенного положения определяется функцией R(t).

(4.1)

(4.2)

где- радиальная скорость распространения акустического пакета,

?е - длина радиоволны.

Значение вектора R(t) может быть представлено в декартовой системе координат значениями X(t), Y(t), Z(t). Угловые координаты ? и ? могут быть измерены методом моноимпульсной радиолокации. В результате значения скорости могут быть получены путем дифференцирования

 (4.3)

(4.4)

Сдвиг ветра может быть вычислен по результатам измерения скорости ветра допплеровскими системами радиоакустического зондирования.

Исследуется траектория движения акустического пакета с учетом воздействия ветровых потоков.

(4.5)

(4.6)

Измерение угловых координат центра движущегося акустического пакета реализуется методами моноимпульсной локации.

4.5 Исследование методических погрешностей

При измерении скорости ветра в заданном объеме пространства методом РАЗ, полагают, что среда однородна для радиоволн, а скорость и траектория перемещения акустического пакета определяется температурой и скоростью ветра. Имеются также флуктуации их значений вокруг среднего значения. Указанные причины являются источником методических погрешностей. Кроме того, практически в любой измерительной системе существуют погрешности измерения скорости и объекта, обусловленные:

- флуктуациями, сопровождающими сигнал;

- изменениями измеряемого параметра в течение времени наблюдения;

- несовершенством измерительной аппаратуры.

Первая причина обуславливает флуктуационную ошибку, минимум которой ограничивается собственным шумом измерения, называемую потенциальной, вторая - динамическую, третья - инструментальную.

С учетом вышесказанного ясно, что на этом этапе проектирования системы РАЗ необходимо проанализировать источники ошибок измерений и это позволит сформулировать требования к точностным характеристикам подсистем и блоков системы, а также произвести оптимальное перераспределение погрешностей структуры системы.

Типичными составляющими инструментальной погрешности измерений являются: основная, дополнительная и динамическая погрешности измерений, а также погрешность, обусловленная его взаимодействием с объектом измерений. Следовательно, расчетная аттестация метрологических измерений сводится к определению максимально возможного для заданных условий измерений интервала, в котором с заданной вероятностью лежат практически реализующиеся значения погрешности измерений.

Поскольку в большинстве случаев измеряются не непосредственно интересующая исследователя величина, а какая-либо другая(или их совокупность), зависящая от неё тем или иным образом, необходимо производить анализ ошибок косвенных измерений.

Косвенными называют такие измерения, при которых измеряемая величина определяется на основании результатов прямых измерений других величин, связанных с искомой известной зависимостью [30] .

При косвенных измерениях задача сводится к отысканию оценки действительного значения zд некоторой величины Z, являющейся функцией других (однородных или разнородных) величин X, Y, …, T, значения которых x,y, …, t определяют по результатам прямых измерений. При этом погрешность оценки zд зависит не только от погрешностей результатов измерений X, Y, …, T, но и от вида используемой функциональной зависимости Z=F(X, Y, …, T).

Если случайные погрешности измерений X, Y, …, T достаточно малы, то функция F(X, Y, …, T) может быть с достаточной точностью представлена линейными членами ее разложения в ряд Тейлора [30].

Тогда оценка z действительного значения zд величины Z определяется как :

(4.7)

где соответствуют .

Оценку среднего квадратического отклонения величины или точечную характеристику случайной погрешности определения V вычисляют по формуле:

(4.8)

где -- значения частных производных функции V(,,?,?) по соответствующим аргументам при их средних значениях.

Общее правило вычисления ошибок для случая косвенных измерений может быть легко получено с помощью методов дифференциального исчисления.

Если измеряемая величина Y есть функция многих переменных Xi, то среднеквадратичная ошибка может быть вычислена по формуле:

(4.9)

а относительная погрешность по формуле:

(4.10)

При проектировании системы РАЗ возникает задача оптимального (при заданных ограничениях) выбора направлений зондирования. Целевой функцией оптимизации в этом случае может служить величина погрешности измерения скорости горизонтального ветра, минимизируемая, либо ограниченная по величине сверху.

При наличии шумов потенциальная среднеквадратическая ошибка излучений угла, измеренная фазовым методом равна:

, (4.11)

где q - отношение сигнал/шум по мощности.

Определим значение среднеквадратических ошибок для случаев минимального и максимального отклонений траектории движения акустического пакета от вертикали при минимальном и максимальном значениях горизонтального ветра(1…30 м/с).

(?min=0,003рад; ?max=0,09рад). Принимаем значение

При более ранних исследованиях в данной области[2,3] были получены результаты погрешностей длины волны и частоты Доплера:

Для вычисления погрешностей сдвига ветра в различных направлениях, нам необходимо вычислить дифференциал составляющих скорости ветра по x,y,z плоскостям.

Запишем выражения для составляющих скорости ветра:

(4.12)

(4.13)

(4.14)

где , , - составляющие скорости ветра в соответствующих плоскостях;

- длина волны =0,5 м;

= 1368 Гц;

? - 2°;

? - 2°.

Необходимо посчитать дифференциал по каждой из составляющей скорости ветра, для этого пошагово берем производные каждой компоненты и записываем коэффициенты полученные при известных заранее значений погрешности по длине волны и по частоте Доплера.

(4.15)

Подсчитаем дифференциал компоненты скорости по x, относительно для каждой составляющей, вносящей погрешности в вычисления:

Продифференцируем скорость в плоскости x по длине волны:

(4.16)

Дифференцируем аналогично скорость в плоскости x по частоте Доплера:

(4.17)

Дифференцируем скорость в плоскости x аналогично по углам ? и ?, при этом необходимо обратить внимание, что используем формулу для дифференцирования сложной функции и используем правила дифференциала от частного двух выражений:

(4.18)



(4.19)

; (4.20)

Продифференцируем скорость в плоскости y по длине волны:

(4.21)

Дифференцируем аналогично скорость в плоскости y по частоте Доплера:

 (4.22)

Дифференцируем скорость в плоскости x аналогично по углам ? и ?, при этом необходимо обратить внимание, что используем формулу для дифференцирования сложной функции и используем правила дифференциала от частного двух выражений по формуле (4.3):

(4.23)

(4.24)

Продифференцируем скорость в плоскости xoz по длине волны:

(4.25)

Дифференцируем аналогично скорость в плоскости xoz по частоте Доплера:

(4.26)

Дифференцируем скорость в плоскости xoz аналогично по углам ? и ?:

(4.27)

(4.28)

Скомпонуем все ранее вычисленные частные производные в формулы относительно каждой компоненты скорости ветра для каждой плоскости для того, чтобы вычислить погрешность по каждой компоненте и определить ее численное значение:

Погрешность по скорости в плоскости xoz:

(4.29)

Погрешность по скорости в плоскости xoy:

(4.30)

Погрешность по скорости в плоскости zox:

(4.31)

Подставив значения заранее посчитанных погрешностей [3] получаем следующие значения:

=0,069 ==0,2042883985448023428701771091356.

4.6 Анализ зависимости величины погрешности от отношения сигнал/шум

Проанализируем зависимость погрешностей скорости в трех плоскостях от соотношения сигнал/шум [33] . Для этого предположим, что отношение сигнал/шум изменяется в пределах 10 до 100 с шагом 10.

Влияние отношения сигнал/шум на погрешность по частоте Доплера определяется зависимостью(4.32):

(4.32)

где q - отношение сигнал шум.

Отношение сигнал/шум также оказывает влияние на погрешность по угловым координатам(4.11):

;

Подсчитаем значении погрешностей угловых координат и погрешностей по частоте Доплера при различных значениях соотношения сигнал/шум, полученные значения запишем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Зависимость погрешностей , , от q

Отношение сигнал/шум q	, Гц	,Гц2	, рад	, рад	, рад	, рад
10	0,126	16	10,07	10,14	10,07	10,14
20	0,089	7,958	7,119	5,068	7,119	5,068
30	0,073	5,305	5,813	3,379	5,813	3,379
40	0,063	3,979	5,034	2,534	5,034	2,534
50	0,056	3,183	4,502	2,027	4,502	2,027
60	0,052	2,653	4,11	1,689	4,11	1,689
70	0,048	2,274	3,805	1,448	3,805	1,448
80	0,045	1,989	3,56	1,267	3,56	1,267
90	0,042	1,768	3,356	1,126	3,356	1,126
100	0,04	1,592	3,184	1,014	3,184	1,014

Значения и , выраженное в градусной мере углов приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Зависимость отношения сигнал/шум от погрешностей угловых координат

Отношение сигнал/шум q	, град	, град	, град	, град
10	0,058	32,28	0,058	32,28
20	0,041	16,64	0,041	16,64
30	0,033	11,09	0,033	11,09
40	0,029	8,319	0,029	8,319
50	0,026	6,655	0,026	6,655
60	0,024	5,546	0,024	5,546
70	0,022	4,754	0,022	4,754
80	0,02	4,159	0,02	4,159
90	0,019	3,697	0,019	3,697
100	0,018	3,328	0,018	3,328

Подставим значения , , в результирующие формулы (4.29-31) погрешностей скорости ветра в различных плоскостях. Полученные данные сведем в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 - Зависимость отношения сигнал/шум от погрешностей скоростей ветра в плоскостях x, y, z

Отношение сигнал/шум q	, м/с	, м/с	, м/с
10	0,344	0,344	0,077
20	0,243	0,243	0,073
30	0,198	0,198	0,071
40	0,172	0,172	0,071
50	0,154	0,154	0,07
60	0,14	0,14	0,07
70	0,13	0,13	0,07
80	0,122	0,122	0,069
90	0,115	0,115	0,069
100	0,109	0,109	0,069

По данным таблицы 4.3 построим графики зависимостей отношения сигнал/шум от погрешностей скоростей ветра в плоскостях x, y, z.

Рисунок 4.1 - Зависимость от q

Рисунок 4.2 - Зависимость от q

Рисунок 4.3 - Зависимость от q

Проанализировав графики можно сделать вывод, что чем больше отношение сигнал/шум, тем погрешность, вносимая в систему компонентами ветра меньше.

4.7 Выводы по метрологической аттестации на этапе проектирования

Вычисленные данные полностью удовлетворяют требованиям, поставленным при исследовании и разработке данной системы радиоакустического зондирования атмосферы и измерения сдвига ветра в приземном слое атмосферы методом моноимпульсной локации.

Полученные результаты исследования погрешностей удовлетворяют требованиям метрологической аттестации и полностью отвечают запросам потенциальных пользователей системы - работников и потребителей авиации(системы контроля взлета и посадки самолетов).

Выводы

В данной работе были проведены исследования и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровой обстановки в пограничном атмосферном слое.

Разработана структурная схема системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Проведен анализ ветровой обстановки в приграничном атмосферном слое. Рассчитаны отношения сигнал/шум для различных высот. Рассчитано положение акустического пакета относительно изменения длины радиус-вектора.

Проведен анализ скорости смещения акустического пакета на различных высотах и зависимость скорости смещения от частоты Доплера.

Проведена работа по подготовке системы к метрологической аттестации на этапе проектирования.

Рассчитаны погрешности по компонентам скорости ветра в различных плоскостях, а также соотнесены значения погрешностей при различных параметрах отношения сигнал/шум.

Вычисленные данные полностью удовлетворяют требованиям, поставленным при исследовании и разработке данной системы радиоакустического зондирования атмосферы и измерения сдвига ветра в приземном слое атмосферы методом моноимпульсной локации.

Современное состояние развития радиоакустических систем зондирования не позволяет в полной мере реализовать богатые информационные возможности рассматриваемых методов по измерению параметров атмосферы.

Для более эффективного их использования при решении различных задач требуется улучшать основные показатели качества систем зондирования: точность измерений, дальность действия, пространственное и временное разрешение, помехозащищенность. Требуется также расширять набор измеряемых метеопараметров и улучшать теоретические методы определения показателей качества и метрологической аттестации станций.

Полученные результаты исследования погрешностей удовлетворяют требованиям метрологической аттестации и полностью отвечают запросам потенциальных пользователей системы - работников и потребителей авиации(системы контроля взлета и посадки самолетов).

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. М.Сокольник. Введение в технику радиолокационных систем. Изд. «Мир»: 1965г.--736с.

2. Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли. Под ред. Б.Л.Кащеева, Е.Г.Прошкина, М.Ф.Лагутина. Глава 2. Радиоакустическое зондирование пограничного слоя атмосферы. Харьков, ХНУРЭ: 2007г.стр.49-100.

3. Прошкин Е.Г. Радиоакустическое зондирование в системе контроля загрязнения атмосферного воздуха. Харьков, изд.ХИРЭ: 2007г. -115с.

4. М.А.Каллистратова, А.И.Кон. Радиоакустическое зондирование атмосферы, М. «Наука»: 2006г. -187с.

5. М.П. Долуханов. Распространение радиоволн, М. «Связь»:1965г. - 392с.

6. «Проектирование радиопередающих устройств» под ред. Г.М.Уткина, М. «Советское радио»,2009 г. - 316с.

7. Бреховских Л.М.: Волны в слоистых средах. Изд. АНССР. М.:2007г. - 287с.

8. Довиак Р.Доплеровские локаторы и метеорологические наблюдения: Пер. с англ.- Л.: Гидрометеоиздат, 2008.- 503 с.

9. Рыжков А.В. Метеорологические объекты и их радиолокационные характеристики // Зарубежная радиоэлектроника. - 2010. - №4. - С.6

10. Рыжков А.В. Характеристики метеорологических РЛС // Зарубежная радиоэлектроника. - 2006. - №4. - С.29 - 34.

11. Черников А.А. Радиолокационные отражения от ясного неба. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 46 с.

12. Мельников А.В. Обработка информации в доплеровских МРЛ // Зарубежная радиоэлектроника. - 2006. - №4. - С.35 - 42.

13. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 244 с.

14. Захаров В.М., Костко О.К. Метеорологическая лазерная локация. - М.: Гидрометеоиздат, 1977. - 222 с.

15. Оптическое зондирование атмосферы / Б.Т. Тошенов, Т.П. Торопова, В.А. Ляджин и др. - Алма-ата: Наука, 2006. - 108 с.

16. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. - Новосибирск: Наука, 2006. - 167 с.

17. Принципы построения автоматизированных систем метеорологического обеспечения авиации / Под ред. Г. Г. Щукина. - Л.: Гидрометеоиздат, 2009.- 329 с.

18. Красюк Н.П., Коблов В.Л., Красюк В.Н. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. - М.: Радио и связь, 2008. - 216 с.

19. Карюкин Г.А. Оценки возможностей реальных систем радиоакустического зондирования атмосферы: Препр. / ИФА АН СССР. - М., 1981. - 33 с.

20. Lataitis R.J. Theory and Application of a radio-acoustic sounding system (RASS): NOAA Technical Memorandum ERL WPL-230 / Nat. Oceanic and Atmos. Admin. Environ, Res. Labs. Boulder, CO. - 2009. - 207 p.

21. Angevine W.M., Ecklund W.L., Carter D.A., Gage K.S., Moran K.P. Improved radio acoustic sounding techniques // J. of Atmos. Oceanic Technol. - 2008. - Vol.11, №2. - P.121-127.

22. Бабкин С.И., Милосердова Г.Н., Орлов М.Ю. и др. Определение температуры, скорости и направления ветра в приземном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. - 1980. - №8. - С.36-45.

23. Макарова Т.И. Измерение скорости ветра двухлучевым радиоакустическим зондированием // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1980.- Т.16, № 5

24. Азизян Г.В., Белявская В.Б., Бовшеверов В.М. и др. Комплексное акустическое и радиоакустическое зондирование пограничного слоя атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 2008.- Т.18, №10.- С.1036-1042..

25. Бабкин С.И., Максимова Н. Г., Панченко А.Ю. и др. Измерение влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы // Труды 9-го Всесосоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. - Ч.2.- Томск: ТФСО АН СССР. - 2006.- С. 145-148.

26. Баранов А.М. Авиационная метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат. - 2008. - 384с.

27. Леонов А.И., Фомичем К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь. - 2006. - 199с.

28. Дымова А.И, Альбац М.Е., Бонч-Бруевич А.М. Радиотехнические системы. - М.: Сов. Радио. - 1975. - 440с.

29. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука. - 1984. - 680с.

30. Цейтлин В.Г. Метрологическое обеспечение качества продукции. - М.: Издательство стандартов. - 2008. - 88с.

31. Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. - М.: Изд-во стандартов, 2006. - Кн.I - 352с.

32. Зуев В.Е., Белан Б.Д., Задде Г.О. Оптическая погода. - Новосибирск: Наука, 2006.-190с.

33. Оценка эффективной поверхности рассеяния радиоволн акустическим пакетом/ Д.А.Величко, канд.техн.наук, Г.И.Сидоров, канд.техн.наук, Я.Г.Сидоров// Радиотехника 127/2007 - Х.: ХНУРЭ, 2007.

Размещено на Allbest.ru