Совместное измерение вертикальных профилей индекса рефракции и множителя ослабления сигнала 3-см диапазона над водной поверхностью

УДК 621.369.6

М.Е. Ровкин, Ю.П. Акулиничев, В.А. Хлусов, В.Н. Ковалев, В.А. Бутько, Л.В. Павлова, И.Н. Ваулин, Д.В. Пурик

Совместное измерение вертикальных профилей индекса рефракции и множителя ослабления сигнала 3-см диапазона над водной поверхностью

Обсуждаются результаты совместного измерения тонкой вертикальной структуры индекса рефракции и множителя ослабления на трассах протяженностью до 12 км над поверхностью соленого Кулундинского озера в интервале высот 2-150 м. Описаны использованная аппаратура, методика проведения эксперимента. Показано, что единственная причина, приводящая к существенным изменениям формы высотного профиля множителя ослабления, — это наличие волновода испарения. Оценена ожидаемая точность прогнозирования множителя ослабления.

1. Цели эксперимента

Достигнутый за последнее десятилетие прогресс в области применения вычислительных методов в радиофизике позволил создать математические модели и эффективные программы расчета характеристик электромагнитного СВЧ-поля в слоисто-неоднородной тропосфере [1,2]. Поскольку энергетические соотношения являются ключевыми при построении любой радиосистемы, важнейшей характеристикой сигнала на конкретной трассе служит множитель ослабления, вычисляемый по отношению к условиям распространения радиоволн в свободном пространстве. Известно, что ослабление радиоволн целиком определяется состоянием среды в окрестности трассы, в первую очередь формой высотного профиля индекса оефракции N{h).

Для объективной оценки точности расчета с использованием таких программ необходимы результаты совместного измерения высотных профилей индекса рефракции и уровня сигнала. Наибольший интерес для исследования представляют относительно стабильные неоднородности индекса рефракции, проявляющиеся в приводном слое высотой до 50-100 м над крупными водоемами (морями или озерами). К сожалению, имеются лишь единичные публикации, в которых приводятся данные таких одновременных измерений [3,

Экспериментальные измерения, направленные на одновременное исследование тонкой структуры слоистых неоднородностей тропосферы и поля ослабления СВЧ-радиоволн, проведены НИИ радиотехнических систем ТУСУРа летом 2005 года на соленом Кулундинском озере, расположенном в Алтайском крае. Озеро имеет размеры 25x40 км, его вода по составу близка к морской. В летние месяцы над озером часто наблюдаются условия повышенной рефракции и приповерхностные волноводы.

2. Методика проведения эксперимента

Отличительной особенностью нового эксперимента является возможность быстрого перемещения по высоте над озером не только измерителя радиометеорологических параметров, но и передатчика измерительной радиолинии. Приемник этой линии располагался на

берегу и оставался неподвижным (рис. 1).

Для измерения обоих высотных профилей аппаратура поднималась привязным аэроста--ом объемом 8 м3, заполненным гелием, на высоту до 150 м. Аппаратура включала датчик индекса рефракции с передачей данных но УКВ-радиоканалу и источник СВЧ-радиоизлуче-

ния для измерительной радиолинии.

При этом аппаратура приема данных метеодатчика располагалась вблизи точки подъема (на передающем конце измерительной радиотрассы), а аппаратура приема СВЧ-сигналов источника излучения располагалась на другом конце трассы (на берегу водоема). Привязное аэрологическое зондирование, совмещенное с излучением сигнала 3-см диапазона, проводилось с борта моторной лодки, которая удалялась на расстояние до 12 км от берега.

Привязной аэростат Передатчик СВЧ Метеодатчики

Приемник СВЧ

assafrw^ j

А

Рис. 1 — Иллюстрация методики проведения эксперимента

3. Аппаратура

Поднимаемая аппаратура состояла из двух подсистем (рис. 2). Подсистема СВЧ измерительной радиолинии была предназначена для излучения сигнала 3-см диапазона. Вторая подсистема служила для измерения индекса рефракции и передачи результатов измерения в ПЭВМ сбора метеоданных, раположенную на моторной лодке.

В качестве источника СВЧ-излучения использовался компактный передатчик, излучающий радиоимпульсы с частотой несущей 8500 МГц, длительностью 3,3 мс и периодом повторения 27 мс, а также антенна — вертикально ориентированный четвертьволновый вибратор. Передатчик реализован на серийных узлах производства НПФ «Микран»: синтезаторе частоты ЖНКЮ.467.870.022-03 и усилителе мощности МАР-080100-01. Мощность передатчика в импульсе составляла 600 мВт, питание осуществлялось от батареи из десяти никель-металлогидридных аккумуляторов емкостью 2500 мА-ч. Масса передатчика с батареей 850 г. Длительность непрерывной работы передатчика от комплекта батарей 4 ч.

Приемная система 3-см диапазона была выполнена с использованием серийных и экспериментальных СВЧ-узлов, разработанных и произведенных НПФ «Микран». Она состояла из рупорной приемной антенны (облучатель антенны PPJI типа МИК-8) и супергетеродинного приемника, содержащего двухкаскадный МШУ (MAW-080120-01, MAW-080125-01), ба-лгшсныи смеситель и гетеродин (синтезатор 2КККЮ.467.870.022-03), настроенный на частоту 8500,036 МГц. Высокая стабильность пары синтезаторов передатчика и приемника позволила использовать низкую промежуточную частоту (36 кГц) и полосу пропускания (50 кГц), в результате чего достигалась чувствительность приемника минус 155 дБ/Вт. Для выделения огибающей в тракте ПЧ использовалась БИС AD8310, что позволило измерять сигналы, изменяющиеся в динамическом диапазоне 80 дБ.

Приемная антенна располагалась на телескопической мачте, позволявшей регулировать ее высоту от 1,5 до 12 м относительно поверхности воды (рис. 3).

Спектр огибающей радиоимпульсного сигнала 3-см диапазона лежал в звуковом диапазоне, поэтому для его оцифровки и ввода в ЭВМ была использована серийная компьютерная звуковая плата «Audigy» фирмы Creative Labs и готовое программное обеспечение, предназначенное для записи звуковых файлов формата RIFF WAY.

Аппаратура измерения индекса рефракции включала малоинерционный радиозонд, позволявший измерять температуру, давление и влажность с разрешением по времени не хуже 100 мс, что было достигнуто за счет применения датчика влажности психрометрического типа с легкими (масса 5 мг) датчиками температуры и давления (рис. 4).

Среднеквадратическая ошибка измерения индекса рефракции N составляла 1,5 N-едини-цы. Передача результатов зондирования производилась по радиоканалу в диапазоне 433 МГц, для чего радиозонд был оснащен передатчиком мощностью 50 МВт, нагруженным на несимметричный вибратор. Масса радиозонда с комплектом батарей, обеспечивающим непрерывную работу в течение 6 ч, составляла 450 г. Прием сигнала метеозонда осуществлялся малогабаритным приемником, снабженным антенной типа симметричного вибратора, сопряженным по последовательному порту с портативной ЭВМ (ноутбук), расположенной на моторной лодке.

рис. 2 — Привязной аэростат с подвешенными передатчиком 3-см диапазона

Рис. 3 — Приемное устройство и антенна 3-см диапазона, смонтированные на телескопической мачте

Рис. 4 — Малоинерционные психрометрические датчики влажности (а) и давления (б):

1 — элементы крепления датчика, 2 — баллон с дистиллированной водой, 3 — сигнальный кабель, 4 — смачивающий фитиль, 5 — влажный датчик температуры, 6 — сухой датчик температуры, 7 — ВЧ-экран

4. Типы измеренных профилей индекса рефракции и уровня сигнала

В ходе численного эксперимента, многократно проводимого для разных высотных профилей индекса рефракции было замечено, что на надводных трассах протяженностью до 12 км в тропосфере существует лишь один тип слоистых неоднородностей, который может привести к существенному изменению формы высотного профиля уровня сигнала по сравнению с условиями стандартной тропосферы, — волновод испарения. И в этом случае профиль сохраняет четко выраженную лепестковую структуру, но интенсивность нижнего лепестка возрастает при одновременном уменьшении высоты первого минимума.

Результаты эксперимента подтвердили это предположение. Обработанные 12 пар одновременно зарегистрированных высотных профилей уровня сигнала и индекса рефракции по различиям в условиях распространения можно разделить на две группы. Первая группа (шесть профилей) соответствует условиям нормальной тропосферы. Вторая группа отличается наличием четко выраженного приводного волновода. На рис. 5, 6 и 7 приведены образцы пар высотных профилей ЩН) и множителя ослабления (время местное).

Различия условий распространения совместно проявляются на высотных профилях как индекса рефракции, так и множителя ослабления на трассе протяженностью 11,2 км. Приведенные на рис. 5 профили можно классифицировать как линейные.

На профилях N(¡1), приведенных на рис. 6, явно видно наличие приводного волновода, поэтому условия распространения классифицируются как волноводные.

Влияние приводного волновода становится хорошо заметным при сравнении высотных профилей множителя ослабления, приведенных на рис. 5 и 6. Обычная для условий нормальной тропосферы регулярная высотная структура лепестков уровня сигнала (рис. 5), имеющих одинаковые амплитуды и ширины, изменяется: самый нижний лепесток высотного профиля уровня сигнала увеличивается по амплитуде на 2-5 дБ, он прижимается к поверхности воды. Поэтому заметно ослабляется приводный интерференционный минимум.

Измеренный профкль N

Мнлжнтель ослабления, дЬ

Индекс преломления, 14>ед.

а б

23.07.05 г. 01:33-01:48

Множитель ослабления, дБ

«и

Измеренной гфофиль

V

Индекс прелоыпеют, Ы-ед.

в г

23.07.05 г. 08:27 - 08:38

Измеренный профиль N01)

Множитель ослабления, дБ

к

и

330 332 334 336 33 8 340 342 Индекс преломления, 1Ч-ед.

д е

23.07.05 г. 09:44 - 09:50

———!

----

1

.......

Множитель ослабления, а

23.07.05 г. 09:54

аремный профиль

з

09:59

Рис. 5 — Высотные профили множителя ослабления сигнала (а, в, д, ж) и индекса рефракции (б, г, е, з), совместно измеренные на трассе протяженностью 11,2 км; высота приемной антенны 5 м; условия нормальной тропосферы

5. Оценка возможности расчета уровня сигнала по измеренному профилю №

Одной из задач проведенного эксперимента было выяснение оправдываемости прогноза условий распространения радиоволн СВЧ-диапазона по состоянию среды распространения, описываемому высотным профилем индекса рефракции. С этой целью, используя метод численного решения параболического волнового уравнения [1,2], по каждому измеренному профилю N(1г) был рассчитан высотный профиль множителя ослабления и проведено его сравнение с реально измеренным. Максимальная среднеквадратическая разность 1,76 дБ наблюдалась при прогнозировании уровня сигнала в максимуме нижнего, наиболее изменчивого лепестка. При этом коэффициент ковариации этих уровней составлял 0,45. Такие же расчеты были проведены повторно, но вместо измеренного профиля использовалась его аппроксимация линейно-ломаной кривой. Эта мера позволила снизить величину ошибки прогнозирования до 1,4 дБ и увеличить коэффициент ковариации до 0,8.

Отсюда следует вывод, что мелкомасштабные неоднородности, присутствующие в измеренном высотном профиле индекса рефракции и имеющие вертикальные размеры в несколько метров, являются локальными и не характерны для трассы в целом, поэтому требуется предварительная обработка (аппроксимация) этого профиля перед проведением расчета ожидаемого уровня сигнала.

Изжретьй профоть N(11}

профиль N

Г—1-

\

- 1

— >

1111 —

—р« £

1 ^^

!

1 1

-1—

Множитель ослабления, дБ

а

Индекс [фепомпежх,

Мноямтсль ослабления, дБ

в

334 336 338 340 342 344 И6 346 Инд «кс ттрелсьло«я,

21.07.05 г.

Эксперимент

00:07 - 00:15

21.07.05 г. 00:074 - 00:23

Измсрем&А гфофнпь М

ИзмерешьА профиль N01)

1 1

1

- - -1— 1

...

-1 ...

~——Л—

1

1

!

Множитель ослабло*«, дБ д

Инде к: Гфспокпсжя,

Множитель ослабления, лБ

Индекс преломления, М^д.

21.07.05 г. 00:36 - 00:51

Экакрнмект

Ж 3

21.07.05 г. 00:36 - 00:51

ИзмеретА профиль

ИзмергнмьА Гфофнлъ N"0»)

Множитель ослабления. дБ

Индекс гфеломпежя.

Множитель ослабления, дБ

Индекс гфепомленкя. Ы-ед.

22.07.05 г. 08:50 - 09:06

л м

23.07.05. 08:27 - 08:38

Рис. 6 — Высотные профили множителя ослабления сигнала (а, в, д, ж, и, л) и индекса рефракции (б, г, е, з, к, м), совместно измеренные на трассе протяженностью 11,2 км; высота приемной антенны 5 м; волноводные условия

Как и следовало ожидать, на трассах малой протяженности (2,6 и 5 км) даже наличие волновода испарения почти не влияет на форму высотного профиля множителя ослабления (рис. 7). Из рис. 7 видно, что существенное изменение высотного профиля практически не сказывается на высотном профиле поля, измеренном при малом удалении от источника излучения.

ХПНрСКОШЗДО!

Множит ел. ослабления

Ммсшнтель ослабления, дБ

Индекс npeneacemt, N-ед.

16.07.05 г. 20:11 - 20:28 Протяженность трассы 2,6 км

в г

16.07.05 г. 21:30-21:38 Протяженность трассы 5 км

Рис. 7 — Высотные профили множителя ослабления сигнала (а, в) и индекса рефракции(б, г), совместно измеренные на коротких трассах; высота приемной антенны 1,6 м

Литература

1. Levy М. Parabolic equation methods for electromagnetic wave propagation / M. Levy. -London : The IEE, 2000. - 336 p.

2. Barrios A.E., Patterson W.L. TECHNICAL DOCUMENT 3145 Advanced Propagation Model (АРМ), Ver. 1.3.1. Computer Software Configuration Item (CSCI) Documents, Atmospheric Propagation Branch, Code 2858, of Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center, San Diego, August 2002.

3. Barrios A.E. Parabolic Equation Modeling in Horizontally Inhomogeneous Environments / A.E. Barrios // IEEE Trans, on Ant. and Prop. - July 1992. - V. 40. - № 7. - P. 791-797.

4. Anderson D. Radar Detection of Low-Altitude Targets in Maritime Environment / D. Anderson // IEEE Trans, on Ant. and Prop. - June 1995. - V. 43. - № 6. - P. 609.

Ровкин Михаил Евгеньевич

Канд. техн. наук, ведущий инженер НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41-38-92

Эл. почта: rovkin@ms.tusur.ru

Акулиничев Юрий Павлович

Д-р техн. наук, профессор кафедры радиотехнических систем ТУСУРа Телефон: (3822) 41 38 92 Эл. почта: ayp@rts.tusur.ru

Хлусов Валерий Александрович

Д-р техн. наук, вед. науч. сотр. НИИ радиотехнических систем ТУСУРа Телефон: (3822) 41 35 62 Эл. почта: khlusov@ngs.ru

Ковалев Владимир Николаевич

Канд. техн. наук, ст. науч. сотр. НИИ радиотехнических систем ТУСУРа Телефон:(3822) 41 35 62

Бутько Виктор Алексеевич

Канд. техн. наук, директор НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 39 49

Эл. почта: vbutko@ms.tusur.ru

Павлова Лариса Васильевна

Науч. сотр. НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 38 92

Эл. почта: pavlova@orts.tomsk.ru

Ваулин Иван Николаевич

Аспирант кафедры радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 38 92

Эл. почта: vaulin@orts.tomsk.ru

Пурик Дмитрий Валерьевич

Аспирант кафедры радиотехнических систем ТУСУРа Телефон: (3822) 41 38 92 Эл. почта: purik@ms.tusur.ru

М.Е. Rovkin, Yu.P. Akulininchev, V.A. Khlusov, Y.N. Kovalev, V.A. But'ko, L.V.Pavlova, I.N. Vaulin, D.V. Purik

Joint measurement of vertical profiles of an index of a refraction and loss factor of a signal at 3 cm band above a water surface

Results of joint measurement of fine vertical structure of refractivity index and loss factor on paths up to 12 km length above surface of salt lake Kulundinskoe in interval of heights of 2-150 m are discussed in the paper. Used equipments and the experiment technique are described in the paper. It is shown, that the unique reason leading essential changes of the form of loss factor altitude profile is a presence of an evaporation duct. Expected accuracy of loss factor forecasting is estimated.

УДК 519.71:681.3

Д.В. Севостьянов, В.Л. Сергеев

Идентификация дебита скважин нефтяного месторождения с учетом дополнительной априорной информации

Рассматривается метод идентификации дебита скважин нефтяного месторождения с учетом дополнительной информации о дебитах соседних скважин окружения и априорной информации о параметрах модели притока жидкости. Приводятся результаты статистического моделирования по определению точности и качества предложенных оценок.

Задачей идентификации является построение оптимальной в смысле заданных критериев качества математической модели дебита скважин по результатам измерений притока жидкости в скважину и забойных давлений.

Использование классических методов идентификации дебита скважины часто связано с проблемой устойчивости соответствующих оценок в связи с малым объемом исходных данных, наличием различного рода ошибок, неоднородностью выборок, отсутствием достоверной информации о статистических характеристиках помех [1]. Поэтому актуальной является идентификация дебита скважины с использованием метода интегрированных моделей [2], который дает комплексное решение задач учета дополнительной априорной информации, обеспечивает устойчивость и повышает точность оценок при малом объеме выборок, позволяет согласовывать исходные данные с дополнительными априорными сведениями. Процедура идентификации дебита скважины заключается в формировании интегрированной системы моделей и ее адаптации, которая сводится к решению соответствующих оптимизационных задач.

Интегрированная система моделей дебита скважины имеет вид

У(**) = ям+т = тмч), р3*(**))+ад.

йк^^^аь^ + ч^), к = 1,1, 1=1,п,

где — измеренные значения дебита и забойного давления исследуемой скважи-

ны в момент времени ^ ; q ] = 1 ,т — дополнительные данные о дебитах либо приемистости (для нагнетательных) скважин окружения, взаимодействующих с исследуемой скважиной;