ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РАДИОВЫСОТОМЕРА С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НАД ЛЕСНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
|
1 Принципы измерения высоты в радиовысотомерах с линейной
частотной модуляцией 12
1.1 Общие сведения 12
1.2 Принципы измерения высоты в бортовых радиовысотомерных
системах с непрерывным излучением сигнала 13
1.2.1 Счётчик нулей 15
1.2.2 Следящий измеритель частоты сигнала биений 16
1.3 Структура спектра сигнала биений 20
1.4 Причины искажений спектра сигнала биений 23
2 Общие принципы математического моделирования поверхностей 33
2.1 Модель отражения радиоволн от случайных поверхностей с
произвольной шероховатостью 33
2.2 Модели описания поверхностей 37
2.3 Отражение от земной поверхности 40
2.3.1 Параметры, влияющие на отражение от земной поверхности 41
2.3.2 О видах лесов России 42
2.3.3 Теоретические модели земной поверхности и их ограничения 45
2.4 Фацетная модель подстилающей поверхности 46
2.5 Методы математического представления лесной поверхности 48
2.5.1 Моделирование фацетов при помощи математического пакета 49
2.5.2 Моделирование фацетов при помощи программы трехмерной
визуализации 54
3 Математическая модель спектра сигнала биений радиовысотомера с
ЛЧМ 57
3.1 Исходные параметры программы 57
3.2 Алгоритм расчета наклонной дальности 60
3.2.1 Расчет параметров пятна, освещаемого РВ на подстилающей
поверхности 61
3.3 Расчет параметров фацетов 66
3.3.1 Влияние эффекта Доплера 71
3.3.2 Энергетическая характеристика фацетов 75
3.4 Расчет спектра сигнала биений 78
3.5 Общий подход к созданию слоистой модели подстилающей
поверхности 81
3.5.1 Пример слоистой модели соснового леса 84
3.6 Дополнительные входные параметры для настройки слоев 86
3.6.1 Изменения, внесенные в тело цикла 87
3.7 Описание функции расчета параметров фацетов layer.m 89
3.8 Моделирование подстилающей поверхности при помощи
программы трехмерной визуализации 91
3.8.1 Получение координат из программы 3Ds MAX 92
3.8.2 Описание функции расчета параметров фацетов layer3D.m 94
4 Анализ работы разработанной модели 97
4.1 Исследование отклика разработанной математической модели на
различные входные воздействия 98
4.1.1 Реакция модели на изменение ДНА 99
4.1.2 Реакция модели на изменение ДОР 101
4.1.3 Реакция модели на угловые эволюции ЛА в пространстве 102
4.1.4 Реакция модели на скорость ЛА 105
4.2 Моделирование лесной поверхности с использованием нескольких
слоев 108
4.3 Моделирование лесной поверхности при помощи программы
трехмерной визуализации 112
4.4 Выводы 118
Заключение 120
Список использованных источников 125
Приложение А 128
Блок-схема основной программы 128
Приложение Б 129
Блок-схема функции 1ауег.т 129
Приложение В 130
Блок-схема функции 1ауег3Б.т 130
Приложение Г 131
Листинг основной программы 131
Приложение Д 136
Листинг функции 1ауег.т 136
Приложение Е 142
Листинг функции 1ауег3Б.т 142
частотной модуляцией 12
1.1 Общие сведения 12
1.2 Принципы измерения высоты в бортовых радиовысотомерных
системах с непрерывным излучением сигнала 13
1.2.1 Счётчик нулей 15
1.2.2 Следящий измеритель частоты сигнала биений 16
1.3 Структура спектра сигнала биений 20
1.4 Причины искажений спектра сигнала биений 23
2 Общие принципы математического моделирования поверхностей 33
2.1 Модель отражения радиоволн от случайных поверхностей с
произвольной шероховатостью 33
2.2 Модели описания поверхностей 37
2.3 Отражение от земной поверхности 40
2.3.1 Параметры, влияющие на отражение от земной поверхности 41
2.3.2 О видах лесов России 42
2.3.3 Теоретические модели земной поверхности и их ограничения 45
2.4 Фацетная модель подстилающей поверхности 46
2.5 Методы математического представления лесной поверхности 48
2.5.1 Моделирование фацетов при помощи математического пакета 49
2.5.2 Моделирование фацетов при помощи программы трехмерной
визуализации 54
3 Математическая модель спектра сигнала биений радиовысотомера с
ЛЧМ 57
3.1 Исходные параметры программы 57
3.2 Алгоритм расчета наклонной дальности 60
3.2.1 Расчет параметров пятна, освещаемого РВ на подстилающей
поверхности 61
3.3 Расчет параметров фацетов 66
3.3.1 Влияние эффекта Доплера 71
3.3.2 Энергетическая характеристика фацетов 75
3.4 Расчет спектра сигнала биений 78
3.5 Общий подход к созданию слоистой модели подстилающей
поверхности 81
3.5.1 Пример слоистой модели соснового леса 84
3.6 Дополнительные входные параметры для настройки слоев 86
3.6.1 Изменения, внесенные в тело цикла 87
3.7 Описание функции расчета параметров фацетов layer.m 89
3.8 Моделирование подстилающей поверхности при помощи
программы трехмерной визуализации 91
3.8.1 Получение координат из программы 3Ds MAX 92
3.8.2 Описание функции расчета параметров фацетов layer3D.m 94
4 Анализ работы разработанной модели 97
4.1 Исследование отклика разработанной математической модели на
различные входные воздействия 98
4.1.1 Реакция модели на изменение ДНА 99
4.1.2 Реакция модели на изменение ДОР 101
4.1.3 Реакция модели на угловые эволюции ЛА в пространстве 102
4.1.4 Реакция модели на скорость ЛА 105
4.2 Моделирование лесной поверхности с использованием нескольких
слоев 108
4.3 Моделирование лесной поверхности при помощи программы
трехмерной визуализации 112
4.4 Выводы 118
Заключение 120
Список использованных источников 125
Приложение А 128
Блок-схема основной программы 128
Приложение Б 129
Блок-схема функции 1ауег.т 129
Приложение В 130
Блок-схема функции 1ауег3Б.т 130
Приложение Г 131
Листинг основной программы 131
Приложение Д 136
Листинг функции 1ауег.т 136
Приложение Е 142
Листинг функции 1ауег3Б.т 142
РЕФЕРАТ
Дипломный проект содержит 144 страницы, 72 рисунка, 31 источник, 6 приложений, 58 формул, состоит из четырех глав.
Объектом исследования является Радиовысотомер с линейной частотной модуляцией. Целью данной работы является создание математической модели различных модификаций подстилающей поверхности типа лес.
В процессе работы была создана математическая модель сигнала биений радиовысотомера, позволяющая исследовать фацетные модели различных типов подстилающей поверхности. Модель разработана в математическом пакете MATLAB.
В результате исследований созданы математические модели подстилающей поверхности для различных видов лесов. При моделировании поверхности было разработано два подхода. Первый подход использует только программный пакет MATLAB и основан на моделировании наборов фацетов в виде слоев. Второй подход основан на построении требуемой поверхности в программе трехмерной визуализации (3Ds MAX) с дальнейшей обработкой экспортированных данных с помощью разработанной модели в среде MATLAB.
Исследованные подходы моделирования поверхности позволяют изучать различные типы подстилающих поверхностей, акцентируя внимание на разных параметрах фацетов.
Измерение высоты полета ЛА над подстилающей поверхностью имеет важное значение в обеспечении безопасности всех полетов. Сегодня для решения вопросов измерения высоты применяют радиовысотомеры. Радиовысотомер предназначен для решения широкого круга тактических задач, перечислим некоторые из них:
• пилотирование самолетов и вертолетов на всех этапах полета от взлета до посадки;
• дистанционные измерения рельефа земной поверхности и поверхности планет;
• автоматическое управление в системах мягкой посадки космических аппаратов на поверхности планет;
• автоматическое управление при выводе ЛА на баллистические траектории;
• определение высоты текущей орбиты ИС Земли и планет;
• датчики высоты различных применений.
Исходя из круга решаемых задач, очевидно, что существуют различные типы радиовысотомеров. В основном они отличаются видом модуляции и методом исполнения.
Одной из наиболее важных частных задач, возложенных на высотомер, является измерение высоты ЛА относительно подстилающей поверхности. Особенный интерес представляет измерение высоты над лесной поверхностью. С проблемой измерения высоты полета над лесом обычно сталкиваются на малых и предельно малых высотах. В условиях ограниченной видимости (темное время суток, дождь, снег, туман) ситуация серьезно усугубляется. Для успешного выполнения боевой задачи (например, сброс десанта с борта вертолета на предельно малой высоте) пилот должен иметь возможность определять высоту как до слоя почвы, так и до верхушек деревьев.
Целью данной работы является разработка математической модели спектра сигнала биений радиовысотомера с линейной частотной модуляцией, а также изучение методов моделирования различных типов поверхностей. Основной задачей стоит разработка различных математических моделей лесной поверхности.
Моделирование лесной поверхности - вопрос, который слабо освещен в книгах, посвященных радиолокации и радиовысотометрии, что делает изучение вопросов моделирования лесной поверхности актуальным на сегодняшний день. В данной работе использованы два метода моделирования поверхностей. Первый метод реализован в среде МаП.ЛВ и представляет собой математическую многослойную фацетную модель различных типов поверхностей с подстраиваемыми параметрами.
Новизна исследования состоит во втором методе моделирования поверхностей. За основу взята трехмерная графика, а именно, поверхность сначала строится в программе трехмерной визуализации, а затем данные о координатах объектов трехмерного изображения соответствующим образом обрабатываются и передаются в среду МаП.ЛВ, где разработанная математическая модель рассчитывает и строит график спектра сигнала биений.
Следует отметить, что в данной работе будет исследован радиовысотомер с непрерывным излучением, а закон модуляции будет несимметричный (несимметричная линейная частотная модуляция). В качестве основных рабочих параметров будут выбраны типовые значения.
Дипломный проект содержит 144 страницы, 72 рисунка, 31 источник, 6 приложений, 58 формул, состоит из четырех глав.
Объектом исследования является Радиовысотомер с линейной частотной модуляцией. Целью данной работы является создание математической модели различных модификаций подстилающей поверхности типа лес.
В процессе работы была создана математическая модель сигнала биений радиовысотомера, позволяющая исследовать фацетные модели различных типов подстилающей поверхности. Модель разработана в математическом пакете MATLAB.
В результате исследований созданы математические модели подстилающей поверхности для различных видов лесов. При моделировании поверхности было разработано два подхода. Первый подход использует только программный пакет MATLAB и основан на моделировании наборов фацетов в виде слоев. Второй подход основан на построении требуемой поверхности в программе трехмерной визуализации (3Ds MAX) с дальнейшей обработкой экспортированных данных с помощью разработанной модели в среде MATLAB.
Исследованные подходы моделирования поверхности позволяют изучать различные типы подстилающих поверхностей, акцентируя внимание на разных параметрах фацетов.
Измерение высоты полета ЛА над подстилающей поверхностью имеет важное значение в обеспечении безопасности всех полетов. Сегодня для решения вопросов измерения высоты применяют радиовысотомеры. Радиовысотомер предназначен для решения широкого круга тактических задач, перечислим некоторые из них:
• пилотирование самолетов и вертолетов на всех этапах полета от взлета до посадки;
• дистанционные измерения рельефа земной поверхности и поверхности планет;
• автоматическое управление в системах мягкой посадки космических аппаратов на поверхности планет;
• автоматическое управление при выводе ЛА на баллистические траектории;
• определение высоты текущей орбиты ИС Земли и планет;
• датчики высоты различных применений.
Исходя из круга решаемых задач, очевидно, что существуют различные типы радиовысотомеров. В основном они отличаются видом модуляции и методом исполнения.
Одной из наиболее важных частных задач, возложенных на высотомер, является измерение высоты ЛА относительно подстилающей поверхности. Особенный интерес представляет измерение высоты над лесной поверхностью. С проблемой измерения высоты полета над лесом обычно сталкиваются на малых и предельно малых высотах. В условиях ограниченной видимости (темное время суток, дождь, снег, туман) ситуация серьезно усугубляется. Для успешного выполнения боевой задачи (например, сброс десанта с борта вертолета на предельно малой высоте) пилот должен иметь возможность определять высоту как до слоя почвы, так и до верхушек деревьев.
Целью данной работы является разработка математической модели спектра сигнала биений радиовысотомера с линейной частотной модуляцией, а также изучение методов моделирования различных типов поверхностей. Основной задачей стоит разработка различных математических моделей лесной поверхности.
Моделирование лесной поверхности - вопрос, который слабо освещен в книгах, посвященных радиолокации и радиовысотометрии, что делает изучение вопросов моделирования лесной поверхности актуальным на сегодняшний день. В данной работе использованы два метода моделирования поверхностей. Первый метод реализован в среде МаП.ЛВ и представляет собой математическую многослойную фацетную модель различных типов поверхностей с подстраиваемыми параметрами.
Новизна исследования состоит во втором методе моделирования поверхностей. За основу взята трехмерная графика, а именно, поверхность сначала строится в программе трехмерной визуализации, а затем данные о координатах объектов трехмерного изображения соответствующим образом обрабатываются и передаются в среду МаП.ЛВ, где разработанная математическая модель рассчитывает и строит график спектра сигнала биений.
Следует отметить, что в данной работе будет исследован радиовысотомер с непрерывным излучением, а закон модуляции будет несимметричный (несимметричная линейная частотная модуляция). В качестве основных рабочих параметров будут выбраны типовые значения.
При выполнении работы были рассмотрены вопросы принципов измерения высоты радиовысотомером с линейной частотной модуляцией. Проведен обзор общих сведений о радиовысотомерах с ЛЧМ. Рассмотрены принципы и методы измерения высоты типовыми бортовыми радиовысотомерами. Рассмотрена структура спектра сигнала биений радиовысотомера, а также изучены основные причины искажения спектра (угловые эволюции ЛА, влияние эффекта Доплера вследствие наличия скорости ЛА и т.п.).
В работе рассмотрены основные принципы моделирования поверхностей и определен наиболее удобный вариант для работы - фацентая модель. Рассмотрены параметры, влияющие на описание земной поверхности и проведен обзор типов лесов, встречающихся в крупных странах мира. Изучены возможности моделирования разных поверхностей при помощи математического пакета и при помощи графической программы трехмерной визуализации.
В качестве основы проекта выбран математический пакет МаП.АВ, при помощи которого была создана математическая модель спектра сигнала биений радиовысотомера. Эта модель реализована в виде «***.т» - файла и представляет собой программу, которая обрабатывает входные (заданные пользователем) параметры, такие, как: истинная высота полета, ширина ДОР и ДНА, наличие угловых эволюций ЛА, наличие скорости. Также пользователь имеет возможность задать количество рассчитываемых фацетов и изменить параметры отображения графика спектра сигнала биений, который является результатом исполнения программы.
На основе этой, базовой, программы была разработана программа, позволяющая задавать несколько слоев фацетов, причем для каждого слоя можно задавать уникальные параметры (средняя высота фацетов слоя, дисперсия фацетов по высоте, размер и количество фацетов слоя, коэффициент отражения и т.п.). Эта программа получилась в результате разработки файла-функции «layer.m», которая вычисляет параметры фацетов для одного слоя. Основная программа, благодаря этой доработке стала меньше и нагляднее. Кроме того, она стала универсальной, что пригодилось при дальнейшем исследовании.
Следующим этапом была разработка методов создания поверхностей с применением программ трехмерной визуализации объектов. Для моделирования поверхностей типа лес недостаточно просто конструкторской программы, коими являются AutoCAD, SolidWorks. Тут нужна программа позволяющая строить неправильные формы, которые популярны среди дизайнеров. Наиболее популярной подходящей программой является 3D Studio MAX. Этот пакет имеет возможность экспортировать координаты контрольных точек объектов сцены. В ходе изучения программ, удалось научится разбивать трехмерные объекты на треугольники- полигоны и затем экспортировать координаты вершин этих треугольников. Преобразовав экспортированные данные к удобному для последующей обработки в математическом пакете виду, удалось при помощи MatLAB создать новый файл-функцию «layer3D.m», результатом исполнения которой являются такие же данные, как и у функции «layer.m», но новый файл берет за основу данные, экспортированные из 3Ds MAX. Следует отметить, что процесс преобразования координат объектов к виду, позволяющему проводить обработку в MatLAB, требует автоматизации путем создания соответствующей программы. В рамках данного исследования для этого был использован пакет Microsoft Office.
После разработки всех программ и функций был проведен обширный анализ работы математической модели, который в показал адекватность работы модели в целом. Так, был исследован отклик модели на различные воздействия. Изменение ширины ДНА в большую сторону показало, что итоговый спектр сигнала биений несколько расширяется из-за удлинения «хвоста», а при сильном уменьшении ширины ДНА, спектр сужается. Увеличение ширины ДОР способствует расширению ширины спектра, а уменьшение - сужению. Все это соответствует теоретическим описаниям работы радиовысотомера.
Наличие углов эволюций ЛА в пространстве, например крена, при небольших значениях не вносит существенных изменений в спектр за счет использования широких ДНА, однако при слишком сильном отклонении ДНА, радиовысотомер теряет способность адекватно измерять высоту, что подтвердилось при исследовании работы математической модели.
Что касается эффекта Доплера, то тут в разработанной модели были введены две скорости - вертикальная и горизонтальная. При введении вертикальной скорости, равной десяткам метров в секунду наблюдается смещение переднего фронта спектра. При этом задний фронт подвергается искажениям в меньшей степени. Что касается горизонтальной скорости, то она при значениях, равных сотням метров в секунду, вносит серьезные искажения как в передний, так и в задний фронт спектра, «размазывает» спектр. Все это соответствует теоретическим представлениям.
Значительный интерес представляет исследование работы модели при использовании нескольких слоев фацетов, при попытке моделировать лесную поверхность. Тут была предпринята попытка создать сосновый лес, как трехслойную фацетную модель. В результате был получен спектр, состоящий из двух горбов. Первый максимум соответствовал среднему уровню «зеленой» части соснового леса, а второй - почвенному слою. Получение такого спектра дает возможность определять высоту растительности подстилающей поверхности.
Помимо соснового леса аналогичным образом был смоделирован лиственный лес. Лиственный лес не имеет столь характерных уровней и, можно сказать, равномерно распределен по высоте от почвенного слоя до крон высоких деревьев, что и нашло подтверждение в полученном спектре: передний фронт спектра оказался сильно растянут в сторону меньших частот (и, соответственно, меньших высот). В этом случае по спектру труднее определить высоту растительности: для этого можно принять центр масс спектра за высоту почвенного слоя, а наименьшую частоту спектра за высоту до крон деревьев.
Важным результатом работы можно считать реализацию обработки поверхностей, построенных в программе трехмерной визуализации 3Ds MAX, что является своего рода инновацией и открывает громадные возможности моделирования поверхностей, хотя это требует определенных навыков работы с программой и мощного компьютера. При более глубоком изучении 3Ds MAX можно задавать параметры материалов (например, задать коэффициент отражения для листвы пальмового дерева) и далее передавать их в MatLAB для расчетов.
Графики спектров при моделировании поверхности в 3Ds MAX имеют свои особенности. Так, к примеру при моделировании пальмового леса в спектре сигнала биений появился резкий и короткий всплеск, который соответствовал максимальной высоте деревьев. Следующий серьезный максимум в спектре соответствовал почвенному слою, а промежуточные точки характеризовали незначительное отражение от стволов деревьев. Что касается лиственного леса, созданного при помощи 3Ds MAX, то здесь спектр меньше обладает отличиями от спектра, полученного при моделировании лиственного леса слоями. Передний фронт спектра оказался сильно вытянут в область меньших частот и при этом имеет довольно низкий уровень. Тут следует отметить, что лиственный лес может иметь самую разную плотность насаждений. Смоделированный еловый хвойный лес в результате дал достаточно жесткий и «загрязненный» спектр, однако если изображение сгладить, то получится нечно среднее между пальмовым и лиственным лесами, можно наблюдать два горба в этом спектре.
В целом можно отметить, что разработанная и исследованная математическая модель спектра сигнала биений работает правильно, обладает достаточной гибкостью (по входным параметрам) и позволяет исследовать самые разные поверхности при различных условиях.
В заключение следует сказать что измерение высоты над лесной поверхностью является малоизученным направлением радиовысотометрии и требует глубокой проработки программных и аппаратных средств. Если посмотреть на спектры соснового, елового и пальмового лесов, то тут достаточно характерно наблюдается два максимума: один соответствует среднему уровню зеленой части деревьев, а второй - почвенному слою. Кроме того, самые высокие части деревьев можно определить по наименьшей частоте спектра, хотя в реальных условиях это трудно вследствие наличия шумов и помех. Однако эту частоту можно определить, применив, например какой-либо алгоритм аппроксимации огибающей переднего фронта спектра сигнала биений.
С точки зрения обеспечения безопасности полетов на малой высоте, было бы интересным решение, при котором пилот ЛА будет получать в качестве данных от радиовысотомера два или даже три значения высоты: высота, соответствующая почвенному слою, высота, соответствующая верхушкам деревьев и высота, соответствующая зеленой части деревьев. В этом случае пилот будет иметь возможность более полного анализа подстилающей поверхности.
В работе рассмотрены основные принципы моделирования поверхностей и определен наиболее удобный вариант для работы - фацентая модель. Рассмотрены параметры, влияющие на описание земной поверхности и проведен обзор типов лесов, встречающихся в крупных странах мира. Изучены возможности моделирования разных поверхностей при помощи математического пакета и при помощи графической программы трехмерной визуализации.
В качестве основы проекта выбран математический пакет МаП.АВ, при помощи которого была создана математическая модель спектра сигнала биений радиовысотомера. Эта модель реализована в виде «***.т» - файла и представляет собой программу, которая обрабатывает входные (заданные пользователем) параметры, такие, как: истинная высота полета, ширина ДОР и ДНА, наличие угловых эволюций ЛА, наличие скорости. Также пользователь имеет возможность задать количество рассчитываемых фацетов и изменить параметры отображения графика спектра сигнала биений, который является результатом исполнения программы.
На основе этой, базовой, программы была разработана программа, позволяющая задавать несколько слоев фацетов, причем для каждого слоя можно задавать уникальные параметры (средняя высота фацетов слоя, дисперсия фацетов по высоте, размер и количество фацетов слоя, коэффициент отражения и т.п.). Эта программа получилась в результате разработки файла-функции «layer.m», которая вычисляет параметры фацетов для одного слоя. Основная программа, благодаря этой доработке стала меньше и нагляднее. Кроме того, она стала универсальной, что пригодилось при дальнейшем исследовании.
Следующим этапом была разработка методов создания поверхностей с применением программ трехмерной визуализации объектов. Для моделирования поверхностей типа лес недостаточно просто конструкторской программы, коими являются AutoCAD, SolidWorks. Тут нужна программа позволяющая строить неправильные формы, которые популярны среди дизайнеров. Наиболее популярной подходящей программой является 3D Studio MAX. Этот пакет имеет возможность экспортировать координаты контрольных точек объектов сцены. В ходе изучения программ, удалось научится разбивать трехмерные объекты на треугольники- полигоны и затем экспортировать координаты вершин этих треугольников. Преобразовав экспортированные данные к удобному для последующей обработки в математическом пакете виду, удалось при помощи MatLAB создать новый файл-функцию «layer3D.m», результатом исполнения которой являются такие же данные, как и у функции «layer.m», но новый файл берет за основу данные, экспортированные из 3Ds MAX. Следует отметить, что процесс преобразования координат объектов к виду, позволяющему проводить обработку в MatLAB, требует автоматизации путем создания соответствующей программы. В рамках данного исследования для этого был использован пакет Microsoft Office.
После разработки всех программ и функций был проведен обширный анализ работы математической модели, который в показал адекватность работы модели в целом. Так, был исследован отклик модели на различные воздействия. Изменение ширины ДНА в большую сторону показало, что итоговый спектр сигнала биений несколько расширяется из-за удлинения «хвоста», а при сильном уменьшении ширины ДНА, спектр сужается. Увеличение ширины ДОР способствует расширению ширины спектра, а уменьшение - сужению. Все это соответствует теоретическим описаниям работы радиовысотомера.
Наличие углов эволюций ЛА в пространстве, например крена, при небольших значениях не вносит существенных изменений в спектр за счет использования широких ДНА, однако при слишком сильном отклонении ДНА, радиовысотомер теряет способность адекватно измерять высоту, что подтвердилось при исследовании работы математической модели.
Что касается эффекта Доплера, то тут в разработанной модели были введены две скорости - вертикальная и горизонтальная. При введении вертикальной скорости, равной десяткам метров в секунду наблюдается смещение переднего фронта спектра. При этом задний фронт подвергается искажениям в меньшей степени. Что касается горизонтальной скорости, то она при значениях, равных сотням метров в секунду, вносит серьезные искажения как в передний, так и в задний фронт спектра, «размазывает» спектр. Все это соответствует теоретическим представлениям.
Значительный интерес представляет исследование работы модели при использовании нескольких слоев фацетов, при попытке моделировать лесную поверхность. Тут была предпринята попытка создать сосновый лес, как трехслойную фацетную модель. В результате был получен спектр, состоящий из двух горбов. Первый максимум соответствовал среднему уровню «зеленой» части соснового леса, а второй - почвенному слою. Получение такого спектра дает возможность определять высоту растительности подстилающей поверхности.
Помимо соснового леса аналогичным образом был смоделирован лиственный лес. Лиственный лес не имеет столь характерных уровней и, можно сказать, равномерно распределен по высоте от почвенного слоя до крон высоких деревьев, что и нашло подтверждение в полученном спектре: передний фронт спектра оказался сильно растянут в сторону меньших частот (и, соответственно, меньших высот). В этом случае по спектру труднее определить высоту растительности: для этого можно принять центр масс спектра за высоту почвенного слоя, а наименьшую частоту спектра за высоту до крон деревьев.
Важным результатом работы можно считать реализацию обработки поверхностей, построенных в программе трехмерной визуализации 3Ds MAX, что является своего рода инновацией и открывает громадные возможности моделирования поверхностей, хотя это требует определенных навыков работы с программой и мощного компьютера. При более глубоком изучении 3Ds MAX можно задавать параметры материалов (например, задать коэффициент отражения для листвы пальмового дерева) и далее передавать их в MatLAB для расчетов.
Графики спектров при моделировании поверхности в 3Ds MAX имеют свои особенности. Так, к примеру при моделировании пальмового леса в спектре сигнала биений появился резкий и короткий всплеск, который соответствовал максимальной высоте деревьев. Следующий серьезный максимум в спектре соответствовал почвенному слою, а промежуточные точки характеризовали незначительное отражение от стволов деревьев. Что касается лиственного леса, созданного при помощи 3Ds MAX, то здесь спектр меньше обладает отличиями от спектра, полученного при моделировании лиственного леса слоями. Передний фронт спектра оказался сильно вытянут в область меньших частот и при этом имеет довольно низкий уровень. Тут следует отметить, что лиственный лес может иметь самую разную плотность насаждений. Смоделированный еловый хвойный лес в результате дал достаточно жесткий и «загрязненный» спектр, однако если изображение сгладить, то получится нечно среднее между пальмовым и лиственным лесами, можно наблюдать два горба в этом спектре.
В целом можно отметить, что разработанная и исследованная математическая модель спектра сигнала биений работает правильно, обладает достаточной гибкостью (по входным параметрам) и позволяет исследовать самые разные поверхности при различных условиях.
В заключение следует сказать что измерение высоты над лесной поверхностью является малоизученным направлением радиовысотометрии и требует глубокой проработки программных и аппаратных средств. Если посмотреть на спектры соснового, елового и пальмового лесов, то тут достаточно характерно наблюдается два максимума: один соответствует среднему уровню зеленой части деревьев, а второй - почвенному слою. Кроме того, самые высокие части деревьев можно определить по наименьшей частоте спектра, хотя в реальных условиях это трудно вследствие наличия шумов и помех. Однако эту частоту можно определить, применив, например какой-либо алгоритм аппроксимации огибающей переднего фронта спектра сигнала биений.
С точки зрения обеспечения безопасности полетов на малой высоте, было бы интересным решение, при котором пилот ЛА будет получать в качестве данных от радиовысотомера два или даже три значения высоты: высота, соответствующая почвенному слою, высота, соответствующая верхушкам деревьев и высота, соответствующая зеленой части деревьев. В этом случае пилот будет иметь возможность более полного анализа подстилающей поверхности.
содержание магистерской диссертации – ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РАДИОВЫСОТОМЕРА С ЛИНЕЙНОЙ
ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НАД ЛЕСНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
выдержки из магистерской диссертации – ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РАДИОВЫСОТОМЕРА С ЛИНЕЙНОЙ
ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НАД ЛЕСНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ