• Разработка принципов и программных средств виртуальной интеграции разнородной спутниковой информации в инфраструктуре коллективного пользования данными свч радиометрического дистанционного зондирования земли из космоса

  Руководитель направления Саворский Виктор Петрович вед. науч. сотр., к. ф.-м. н, старший научный сотрудник эл. почта: [email protected] тел.: +7 (496) 565-25-66

  
  

   
  - Разработка принципов и методов виртуальной интеграции разнородной информации применительно к задачам спутникового СВЧ радиометрического зондирования Земли
  - Создание функционирующих на принципах виртуальной интеграции макетов типовых узлов распределенной инфраструктуры коллективного пользования данными дистанционного СВЧ радиометрического зондирования Земли из космоса
  - Разработка макета ПО системы моделирования СВЧ радиотеплового излучения системы «атмосфера - подстилающая поверхность», интегрированного в сегмент базового узла распределенной инфраструктуры коллективного использования данными космического дистанционного зондирования Земли
  - Создание базовых программно-аппаратных средств аналитического портала радиофизических данных для инфраструктуры коллективного пользования данными дистанционного зондирования Земли из космоса
  - Разработка средств комплексного спутникового мониторинга и раннего предупреждения чрезвычайных ситуаций
  

  

  Функциональная схема системы обнаружения и мониторинга мезомасштабными конвективными комплексами

• Разработка методов и средств расширения информационных возможностей свч радиометрических приборов дистанционного зондирования Земли

  Руководитель направления Смирнов Михаил Тимофеевич вед. науч. сотр., к. ф.-м. н эл. почта: [email protected] тел.: +7 (496) 565-26-81

  
  

   
  Спутниковые СВЧ радиометрические методы определения геофизических параметров Земли находят широкое применение при решении задач исследования климатических процессов, динамики атмосферы и океана, изучения катастрофических явлений, прогноза погоды и др. Информационные возможности СВЧ радиометрических измерений определяются точностью и стабильностью работы соответствующих спутниковых инструментов, а также пространственно-временными характеристиками их антенных систем и соответствующих методов обработки информации. Достигнутый к настоящему времени уровень точности измерений не достаточен для решения ряда задач, в области исследований морской поверхности и характеристик атмосферы особенно в нижних ее слоях. Данная работа направлена на разработку методов и средств расширения информационных возможностей СВЧ радиометрических приборов дистанционного зондирования Земли. Предполагается достижение максимально возможных характеристик, соответствующих передовому мировому уровню или превосходящих его.

  

  Интерфейс программного модуля моделирования пассивных радиоинтерферометрических измерений для дистанционного зондирования Земли

• Развитие методик спутникового радиотепловидения для максимально полного использования спутниковых данных в целях изучения мезомасштабных, синоптических и климатически значимых атмосферных процессов

  Руководитель направления Ермаков Дмитрий Михайлович вед. науч. сотр., д. ф.-м. н эл. почта: [email protected] тел.: +7 (496) 565-26-97

  
  

   
  Сформулирован, обоснован и программно реализован новый подход к замкнутой интерполяционной схеме обработки данных спутникового радиотеплового мониторинга системы «атмосфера – подстилающая поверхность», получивший название «спутниковое радиотепловидение». Подход объединяет классический метод решения обратной задачи СВЧ радиометрии природных сред с кинематической моделью атмосферной адвекции. Это обеспечивает пространственно-временную детальность восстановления глобальных геофизических полей атмосферных параметров, необходимую и достаточную для широкого спектра практических и фундаментальных приложений, включая анализ эволюции тропических циклонов, мониторинг и расчет параметров атмосферных рек, исследования структуры и характеристик глобальной атмосферной циркуляции.
  Идеи и технические решения, заложенные в подход спутникового радиотепловидения, нашли отражение в концепции космического эксперимента «Конвергенция» (МКС) и «Конвергенция-М» (РОС).
  Под руководством Д.М. Ермакова создан и развивается геопортал спутникового радиотепловидения fireras.su/tpw/ .
  

  

  Геопортал спутникового радиотепловидения fireras.su/tpw/

   
  Развиты алгоритмы восстановления полей интегрального влагосодержания атмосферы над сушей и расчета их динамики на основе данных спутникового радиотеплового мониторинга и подхода спутникового радиотепловидения. С помощью развитых алгоритмов обработаны массивы непрерывных многолетних наблюдений; предложены новые походы к использованию этих результатов для построения климатологии атмосферных процессов над океаном и сушей и для анализа регионального гидрологического баланса, в том числе, с целью прогноза крупных речных паводков, вызванных затяжными осадками.

• Разработка методов помехоустойчивой передачи информации по спутниковым каналам связи

  Руководитель направления Назаров Лев Евгеньевич гл. науч. сотр., д. ф.-м. н эл. почта: [email protected]

  
  

   
  Решаемые проблемы связаны с разработкой методов помехоустойчивой передачи информации, включая данные от датчиков ДЗЗ, по спутниковым каналам связи. Особенности данных методов определяются требованиями обеспечения высокоскоростной передачи информационного потока (до 1 Гбит/с и более) и обеспечения высоких вероятностно-энергетических характеристик передачи, близких к предельным теоретическим характеристикам Шенноновской пропускной способности для сложных каналов, включая:

  • каналы с многолучевым распространением, обусловливающие нестационарность их статистических характеристик, частотно-селективные и частотно-неселективные (дружные) замирания сигналов;
  • каналы со свойством частотной дисперсии, обусловливающей фазо-частотные и амплитудно-частотные искажения сигналов;
  • каналы, включающие наряду с тепловыми шумами, комплекс аддитивных помех естественного и организованного характера (узкополосные (прицельные), широкополосные (заградительные), импульсные помехи).
  Особое внимание уделено разработке моделей искажений сигналов при их распространении по спутниковым ионосферным каналам с перечисленными свойствами многолучевого распространения, фазовой дисперсии и наличия комплекса аддитивных помех. При распространении по спутниковым ионосферным каналам возникают также замирания сигналов (вариации амплитуды и фазы) за счет их многолучевого распространения при отражении и рассеянии на ионосферных неоднородностях - при определенных условиях для радиоканалов наблюдается разрушение нормального функционирования информационной системы (увеличение мощности сигналов практически не приводит к уменьшению вероятности ошибочного приема за счет многолучевого распространения сигналов).

  a)

  б)

  Фрагмент исходного фазоманипулированного сигнала (а) и искаженного сигнала (б) на выходе спутниковой ионосферной линии.

  

  Вид спектральных плотностей мощности мощных сосредоточенных по спектру помех в дополнение к тепловым шумам спутникового канала

   
  Для снижения эффективности рассматриваемых искажений развиты, созданы и исследованы соответствующие методы обработки цифровых сигналов, включая разработку методов компенсации искажений при распространении и снижение эффективности аддитивных помех естественного и организованного характера. Основу разработанных методов составляют сигналы с увеличенной базой путем:

  • уменьшения информационной скорости передачи и компенсации класса мощных сосредоточенных по спектру помех;
  • расширения спектра сигналов за счет применения помехоустойчивых кодов, использования псевдослучайных последовательностей;
  • комбинирования используемых сигналов со сложными сигнальными «созвездиями» (OFDM-сигналы, фазоманипулированные сигналы, сигналы с квадратурно-амплитудной манипуляцией, сигналы с амплитудно-фазовой манипуляцией, ортогональные ансамбли сигналов) в сочетании с помехоустойчивыми кодами, перемежением, использованием псевдослучайных последовательностей, а также с методами идентификации беспроводных каналов передачи.

• Создание высокочувствительных электродных датчиков для приема и измерения электромагнитного поля КНЧ и СНЧ диапазона в морской воде

  Руководитель направления Максименко Валерий Георгиевич ст. науч. сотр., к. т. н эл. почта: [email protected] тел.: +7 (496) 565-25-54

  
  

   
  Электродные датчики применяются при измерении низкочастотных электромагнитных полей в морской воде. Измерение электромагнитных полей низкой частоты в океане является одним из средств изучения строения земной коры и разведки полезных ископаемых на шельфе. Способность низкочастотного электромагнитного поля проникать в морскую воду на большую глубину используют для осуществления радиосвязи с подводными объектами. Часто датчик буксируется за кораблем на кабель-тросе. В этом случае наибольшее применение нашел кабельный электродный датчик, длина которого достигает 1000 метров. Однако столь большая длина создает проблемы при эксплуатации вплоть до обрыва кабеля или наматывания его на винт буксирующего корабля. На глубинах до 100 метров в диапазоне частот 3…300 Гц возможность приема сигнала на такой датчик определяется величиной атмосферных помех. Практические задачи требуют увеличения глубины при уменьшении габаритов датчика. В этом случае возможность приема ограничивается собственным шумом датчика, который при движении увеличивается до двух порядков по напряжению. Создание малогабаритных высокочувствительных датчиков представляет собой серьезную научно-техническую проблему. Создана экспериментальная установка для исследования электродного шума в потоке электролита, на которой впервые всесторонне изучены свойства электродного шума и зависимость его от различных факторов. По результатам исследования создана теория электродного шума движения, которая качественно и количественно подтверждается результатами экспериментов. На основе созданной теории разработаны новые конструкции электродных датчиков, шум которых в движущемся потоке жидкости уменьшен на порядок и более, что позволяет существенно уменьшить их размеры

  Экспериментальная установка для исследования электродного шума в потоке электролита

• Анализ радиотеплового излучения биологических и водных сред

  Руководитель направления Савельев Сергей Владимирович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

   
  В лаборатории производится анализ изменения радиотеплового излучения биологических и водных сред для выявления взаимно однозначного соответствия состава исследуемых объектов свойствам их теплового электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн

  Экспериментальная установка измерения диэлектрических характеристик растворов фармакологических препаратов биологического происхождения под действием облучения концентратора магнитного поля	Установка для измерения радиотеплового излучения миллиметрового диапазона длин волн биологических и водных сред при внешнем электромагнитном воздействии нетепловой интенсивности

• В [1,2] описаны результаты разработки информационной системы, обеспечивающей интеграцию данных спутникового СВЧ-радиометрического зондирования геостационарных наблюдений в видимом и ИК диапазоне. Эта интеграция позволяет проводить восстановление атмосферных температурно–влажностных профилей в режиме, близком к режиму реального времени, что необходимо для работы информационных систем в условиях чрезвычайных атмосферных ситуаций, вызываемых мезомасштабными конвективными комплексами (МКК). Методическая особенность развиваемого подхода заключается в минимизации вероятности остановки системы анализа данных при прекращении доступа к отдельным источникам априорной информации. В основу этой методики положено использование автоматической системы адаптации к изменению условий доступа и применение результатов модельных прогнозов развития атмосферных процессов.
  Одна из наиболее значимых систематических ошибок при определении параметров облачного слоя связана с неоднородностью облачного слоя в поле зрения СВЧ-сенсоров. Для коррекции этих ошибок предложена и реализована методика коррекции оценок водозапаса облачности по данным СВЧ мониторинга с использованием данных о масках облачности, полученным по результатам синхронных наблюдений облачного слоя с геостационарных платформ в видимом и ИК диапазонах. Разработан общий методический подход, а также показаны возможности современных средств наблюдения, обеспечивающие высокое временное разрешение, способствующее своевременному обнаружению и мониторингу быстроразвивающихся опасных атмосферных явлений типа мезомасштабных конвективных комплексов (МКК). Получены асимптотические решения для малых значений оптического пути излучения в облаках в нижних слоях атмосферы (под облаками) и для предельных, в земных условиях, значений отражения СВЧ излучения от поверхности Земли [3].

  Публикации:
  

  • 1. Саворский В.П., Панова О.Ю. Своевременное обнаружение МКК // Сборник трудов XV Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь», ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, 2022. С. 187-191.В. С. Козякин, Н. А. Кузнецов, П. Ю. Чеботарев . Консенсус в асинхронных мультиагентных системах. I. Асинхронные модели консенсуса.// Автоматика и телемеханика, 2019, выпуск 4, с. 3–40.
  • 2. Саворский В.П. Своевременное обнаружение и прогнозирования последствий опасных атмосферных явлений при развитии МКК // Двадцатая международная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)». Москва: ИКИ РАН, 2022. C. 61.
  • 3. Саворский В.П. Коррекция оценок водозапаса облачности по данным спутникового мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 1. С. 78-86.

• Разработан комплекс программных модулей моделирования пассивных радиоинтерферометрических измерений для дистанционного зондирования Земли. Этот комплекс позволяет оценить погрешности измерений в зависимости от конфигурации антенной системы. Численное моделирование показало, что ошибки измерений функции видности при восстановлении радиояркостных температур без регуляризации усиливаются примерно в 20-30 раз. При совмещении радиоинтерферометрических измерений с высоким пространственным разрешением с панорамными измерениями, обладающими более низким разрешением, что эквивалентно уменьшению погрешностей измерений на низких пространственных частотах интерферометра, ошибки восстановления радиояркостных температур уменьшаются примерно на 20%.

  Публикации:
  

  • Смирнов М.Т. Моделирование спутниковых СВЧ-радиоинтерферометрических измерений для дистанционного зондирования Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 23-31.
  • Пашинов Е. В., Втюрин С.А., Ермаков Д.М. Длинные ряды данных о глобальной циркуляции водяного пара в атмосфере Земли на основе спутникового радиотепловидения // Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / Москва, ИКИ РАН. – 2022. - С. 439.
  • Стерлядкин В.В., Ермаков Д.М., Кузьмин А.В., Пашинов Е.В. Микроволновые радиометрические измерения из космоса смогут предсказывать наводнения // Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / Москва, ИКИ РАН. – 2022. - C. 455.

• Развиты математические модели спутниковых ионосферных радиолиний с фазовыми замираниями сигналов за счет влияния ионосферы Земли. С использованием этих моделей произведено оценивание важного параметра радиолинии – время фазовой стационарности радиолинии, связанное со статистическими характеристиками случайных временных и пространственных флуктуаций электронной плотности ионосферных неоднородностей. Получены оценки временной стационарности (до 75-450 мс) радиолиний в Р- и L- частотных диапазонах для максимальной и средней скорости движения ионосферных неоднородностей рассматриваемых моделей радиолиний с параметрами стандартной среднеширотной ионосферы. Этот параметр является критическим при разработке спутниковых информационных систем.

  Публикации:
  

  • Назаров Л.Е., Батанов В.В. Статистические модели трансионосферных радиолиний с фазовыми замираниями сигналов. // Радиотехника и электроника. 2022. Т.67 №11. Стр. 1133-1139
  • Nazarov L.E. Batanov V. V. Statistical Models of Trans-Ionospheric Radio Lines with Phase Fading of Signals. // Journal of Communications Technology and Electronics, 2022, Vol. 67, No. 11, pp. 1388–1394

• Впервые исследованы физические свойства электромагнитного сигнала концентратора магнитного поля, запатентованного устройства для направленного переизлучения электромагнитного поля окружающего пространства. Показано, что амплитуда сигнала концентратора представляет собой последовательность пучностей с периодом, кратным 488 мм. Зафиксировано четыре пучности с последовательным падением интенсивности электромагнитных колебаний. Проведены эксперименты по воздействию сигнала концентратора магнитного поля на водные растворы электролитов сульфатов. Зафиксировано увеличение значений коэффициента поглощения растворов при воздействии концентратора, что указывает на значимое влияние сигнала концентратора магнитного поля на групповые ионно-водные взаимодействия в водных растворах.

  Публикации:
  

  • Морозова Л.А., Савельев С.В. Биологический объект и концентратор магнитного поля // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. T. 25. № 1. С. 31-39.
  • Morozova L.A., Savel’ev S.V. Dielectric Properties of Aqueous Solutions at Normal and High Dilutions. // Crossref. 01.03.2022
  • Савельев С.В., Морозова Л.А. Сверхширокополосный генератор шума // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 1 (264) 2022, с. 4–10.
  • Морозова Л.А., Савельев С.В. Воздействие сверхширокополосного электромагнитного поля на фармакологический препарат Пантовегин // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022 T. 25 № 6 С. 5−17.

• Предложен метод уменьшения шума электродного датчика, предназначенного для измерения напряженности сверхнизкочастотного электрического поля в морской воде [1]. Показано, что шум движения, обусловленный буксировкой, у датчика с секционированными вращающимися электродами может быть уменьшен на два порядка, что позволяет повысить чувствительность по сравнению с датчиком, имеющим неподвижные электроды, вплоть до значения, определяемого его тепловым шумом. Предложено устройство для приема электромагнитного поля в море. Технический результат [2], достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности за счет уменьшения электродного шума движения и теплового шума датчика.

  

  Электродный датчик с вращающимися электродами

  Публикации:
  

  • 1. Максименко В.Г. Уменьшение шума движения морского электродного датчика электрического поля // Радиотехника и электроника. 2022. Т.67. № 3. С.268-274
  • 2. Патент на полезную модель №210891 (Бюлл. №14, 12.05.2022)

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН