Обоснование и экспериментальная оценка методов поляризационной селекции применительно к сетевым МРЛС 3-х сантиметрового диапазона Журавлев, Владимир Борисович

Введение к работе

Диссертация посвящена поляризационным методам исследования облаков и осадков: оценке возможности их использования в работе сетевых МРЛС (метеорологических радиолокационных станций) 3-х сантиметрового, диапазона.

Актуальность диссертационной работы

Радиолокационная сеть метеорологических наблюдений бывшего СССР, насчитывает более двух сотен некогерентных МРЛС. Данная сеть-предназначена для получения информации об облаках и осадках службой прогноза погоды в целях обеспечения безопасности полетов воздушного транспорта, градозащиты и других гадач народнохозяйственного значения. В оперативной работе сети широко используются методы, основанные на измерении средней мощности радиолокационного сигнала или радиолокационной отражаемости, Возрастающие требования к составу и качеству получэ-гмой информации приводят к необходимости дальнейшего савер-ленствованкя сети путем разработки МРЛС ноеого поколения (доп-яеровских МРЛС) и новых методов радиолокационного наблюдения метеорологических объектов. Анализ доплеровсклх характеристик сраженного сигнала значительно обогащает наше представление о динамической структуре мзтеообьектов. Однако, при существующем юложении в экономике России, а также других государств, ранее зходивпш в СССР, разработка МРЛС нового поколения представляет собой трудную задачу/решение которой потребует больших ка-штальных вложений, и времени. Более эффективным, с точки зре-шя скорейшего получения положительного результата при невольной доработке уде имеющейся и выпускаемой промышленностью ап-таратуры, представляется путь разработки и внедрения на сети ювых і/ієтодов радиолокационного наблюдения, .Наиболее предпоч-ительным направлением совершенствования радиолокационной сети [вляется применение поляризационных методов. Использование по-мриэационкых характеристик отраженного сигнала позволяет сде-ить вывод о микрохимических свойствах метеообьекгов.

3 последнее десятилетие за рубежом были получены ебнад;.-аіваїш;:е результаты по применению двойной поляризации (зокди-

рование проводят на двух ортогональных поляризациях сигнала СВЧ) для повышения точности измерения интенсивности осадков и идентификации града. Подавляющее большинство поляризационных данных йыао получено в США на специализированных радиолокаторах S-диапазона (с длиной волны порядка 10 см). Учитывая, что основу нашей радиолокационной сети составляют МРЛС Х-диапазона (с длиной волны порядка 3 см), важно"оценить для данного диапазона волн перспективы использования поляризационных методов применительно к отечественным сетевым МРЛЗ . Очевидно, что при переходе в Оолее коротковолновый диапазон могут в значительной мере' изменяться условия рассеяния и .распространения радиоволн в гидрометеорной среде, реально достижимые точности оценки поляризационных параметров и т.п. Необходимо учитывать и климатические различия США и СНГ. - ,'..„.

Другой важный момент, который следует подчеркнуть в связи о актуальностью данной работы, заключается в том, 4tq экспериментальные данные о поляризационных, характеристиках радиолокационных отражений от облаков и осадков "в коротковолновой части сантиметрового диапазона могут служить также, основой для разработки многопараметрических методов радиолокационного зондирования осадков из космоса в рамках программ глобального мониторинга атмосферы Земли. Считается, что выбор Х-диапазона волн является наиболее перспективным с точки зрения оптимального выбора массо-габаритов МРЛС космического носителя.

Цель диссертационной работы заключается в обосновании методов поляризационной селекции с трчки зрения возможности их применения в сетевых метеорологических радиолокаторах и в последующей экспериментальной оценке этих методов в Х-диапаэо-не волн. . "

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать метод поляризационного зондирования облаков и осадков для модернизации сетевых МРЛС в Х-диапазоне волн.

2. Разработать требования к аппаратуре МРЛС для обеслече-ния необходимой- точности измерения поляризационных параметров.

3. Разработать макет радиолокационного автоматизированного комплекса с поляризационной селекцией на базе сетевой МРЛЗ типа МРЛ-2 и соответствующего программного обеспечения для обработки сигналов с помощью ЭВМ.

4. Провести натурные наблюдения облаков и осадков различ-jx типов и в различные сезоны года с помощью разработанного эмплекса.

5. Провести анализ полученных данных и осуществить интер-эетацию результатов наблюдений.

6. Сделать выводы из результатов проведенного исследова-1Я, позволяющие получить предварительную оценку о перспектив-эсти использования режима поляризационного зондирования в се-гвых МРЛС в Х-диапазоне волн.

Научная новизна

Новыми научными результатами, диссертационной работы яв-потся:

1. Обоснование методов и формулировка требований к аппа-ітуре наблюдения и системе автоматизированной обработки дан-ис при использовании режима поляризационного зондирования в >тевых МРЛС в Х-диапазоне волн.

2. Разработка макета радиолокационногоавтоматизированно-> комплекса с поляризационной селекцией на базе отечественной левой МРЛС, позволявший одновременно измерять энергетичес-іе, спектральные и поляризационные параметры отражения от об-1ков и осадков в Х-диапазоне волн.

3. Статистические данные по совместному измерению радиоло-щионной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорос-і диссипации турбулентной кинетической энергии в Х-диапазоне )лн для различных типов гидрометеоров в различные сезоны года.

4. Данные измерения коэффициента взаимной корреляции отра-шных сигналов на ортогональных поляризациях от облаков, осад-)в и подстилающей поверхности в Х-диапазоне волн.

5. Метод распознавания отражений от подстилающей поверхнос-I на основе измерений коэффициента взаимной корреляции горизон-ільно и вертикально поляризованных отраженных сигналов.

Практическая ценность

1. Разработанный в рамках настоящей диссертационной рабо-

ты макет комплекса был использован в ГГО при проведении НИР по исследованию микрофизики фазового состояния облаков и осадков различных типов. '.

2. Накопленный опыт работы на комплексе и обоснованные в диссертации требования к аппаратуре и системе обработки¹ могут быть использованы при внедрении режима поляризационного зондирования в сетевых МРЖ>. '

3. Разработанный на базе экспериментальных данных метод распознавания мешающих отражений от подстилающей поверхности ' по коэффициенту взаимной корреляции может быть использован'при радиолокационном измерении осадков в сущзствуюших системах автоматизированной обработки радиолокационной информации, получаемой с помощью некогерентной МРЛС.

Основные положения вшюсимые на защиту

1. Обоснование методов и формулировка'требований к аппаратуре наблюдения и системе автоматизированной обработки данных при использовании режима поляризационного зондирования в сетевых МРЛС в Х-диапазоне волн. .

2. Радиолокационный автоматизированный комплекс с поляризационной селекцией на базе нэкогерентной МРЛС для совместного измерения радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорости диссипации турбулентной кинетической анергии.

3. Экспериментальные результаты совместных измерений радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорости диссипации" турбулентной кинетической энергии для различных типов облаков и осадков в различные сезоны года, в режиме углоиестных и азимутальных разрезов в Х-диапазоне волн.

4. Экспериментальные результаты совместного измерения радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и . коэффициента взаимной корреляции горизонтально и вертикально поляризованных сигналов, отраженных от метеообъектов и подстилающей поверхности, в Х-диапазоне воли.

5. Метод распознавания отражений от подстилающей поверхности на основе измерений коэффициента взаимной корреляции горизонтально и вертикально поляризованных отраженных сигналов.

7 ''

Апробация* работы

Основные результаты диссертационной работы использовались в НИР ГТО (шифр "25 Б", 1990 г.) и в совместной НИР с ВНИИРА (шифр "ШЕРХШ-ГГО" 1992 и 1993 гг.), докладывались на 9,9,10 и 11-ом Ленинградских симпозиумах " Радиолокационное исследование природных сред" (1990,1991,1992 и 1993 гг.), на 23-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (г.Харьков, 1990 г.), на Конференции " Штоды и средства дистанционного вондирования атмосферы в интересах авиации " (г. Киев, 1991 г.), на Симпозиуме AP-S/URSI (США, г. Даллас, 1990 г.)» на Семинарах Национальной'лаборатории сильных штормов и Лаборатории распространения волн (США, ш. Оклахома г. Норман, 1990 г. и л. Колорадо г. Боулдер, 1991 г.)', на Генеральной Геофизической европейской ассамблее ( Германия, г. Виесбаден, 1991 г.)', на ?6-ой конференции по радиолокационной метеорологии Американского метеорологического общества ( СШ4, ш. Оклахома г. Нор-«ан, 1993 г.).

' Публикации

Ш теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, полу-еи один патент на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, тиска цитируемой литературы и двух приложений. Работа тлот-1 на 193 страницах. Она включает 53 рисунка и 5 таблиц, Спи-ж литературы содержит' 101 наименование.