Влияние условий измерения и квантования на информативные параметры эхо-сигнала дождя

Abstract

Приведена и обоснована физико-математическая модель эхо-сигнала отраженного от облачно-дождевых систем. Предложены алгоритмы получения несмещенных, эффективных и состоятельных оценок первого и второго начальных моментов эхо-сигнала от дождя. Предложены схемы оценки физических параметров капель дождя на основе оценки мощности отраженного сигнала: наведенного дипольного момента капли дождя, затухания при распространении сигнала вдоль сферической координаты дальности туда и обратно и параметров облачно-дождевой системы: интенсивности дождя, водности облачно-дождевой системы. Показана связь наведенного дипольного момента капель дождя с оценками диэлектрической проницаемости и проводимости дождевых капель. Эта связь выражается через соотношения между оптическими и электрическими характеристиками капель дождя. Эти соотношения позволяют составить и решить системы алгебраических уравнений относительно статистических оценок диэлектрической проницаемости и проводимости капель дождя, на основе предварительно выполненных оценок наведенного дипольного момента капель дождя, которые получаются на основе статистических алгоритмов формирования состоятельных и несмещенных оценок первого и второго моментов эхо-сигнала дождя. Показана связь формирования оценок с условиями проведения измерений, зависящими от времени года и суток. Предложенные статистические алгоритмы позволяют устранить смещение указанных оценок физических параметров вызванное тремя составляющими: тепловым шумом приемника, эхо-сигналами принимаемыми по боковых лепесткам антенны и шумом квантования. Это делает данные оценки не только несмеенными, но и физически реализуемыми. Формирование оценок по предлагаемым алгоритмам предполагает истинно когерентную измерительную систему. The physical and mathematical model of the echo signal reflected from cloud-rain systems was presented and substantiated. The algorithms for obtaining unbiased, efficient and consistent estimates of the first and second initial moments of raindrop echo signal were proposed. The estimation schemes of physical parameters of raindrop were proposed based on the reflected signal power estimation, such as induced dipole moment of a raindrop, attenuation during signal propagation along the spherical coordinate of the distance back and forth, and the parameters of the cloud-rain system, such as rain intensity, water content of the cloud-rain system. The correlation between the estimation of dielectric permittivity and conductivity of raindrops was shown. The relationship between the induced dipole moment of raindrops and the estimates of the dielectric permittivity and conductivity of raindrops is shown. This relationship is expressed through the relationship between the optical and electrical characteristics of raindrops. These relations make it possible to create and solve systems of algebraic equations for statistical estimates of the dielectric permittivity and conductivity of raindrops, based on previously performed estimates of the induced dipole moment of raindrops, which are obtained on the basis of statistical algorithms for generating consistent and unbiased estimates of the first and second moments of the rain echo. The relationship of estimation formation with measurement conditions that depend on the time of year and day is shown. The proposed statistical algorithms allow us to eliminate the bias of these estimates of physical parameters caused by three components: thermal noise of the receiver, echo signals received on the side lobes of the antenna and quantization noise. This makes these estimates not only unbiased, but also physically realizable. The formation of estimates based on the proposed algorithms assumes a truly coherent measurement system.