Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Атмосфера как объект исследования при помощи обычных и
доплеровских радаров 11
1.1 Ветровое поле как объект исследования 11
1.2 Параметры, которые используют для описания отражающих свойств
атмосферы и связь между ними 14
-
Основное уравнение метеорологической радиолокации 20
-
Метеообразования и их влияние на параметры радиоэхо 22
1.5. Технические параметры и потенциалы отечественных и зарубежных
радиолокаторов 24
1.6 Радиолокационная отражаемость различных метеообразований. Анализ
отражаемости метеообразований, полученные различными авторами 27
1.7 Ослабление микрорадиоволн в атмосфере 34
Глава 2. Доплеровские методы определения высотного профиля ветра в
атмосфере 37
-
Связь доплеровского сдвига частоты со скоростью ветра 37
-
Краткие сведения о методах "восстановления" ветра томографическим методом 43
-
Модель ветрового поля 47
-
"Простая" модель 47
-
"Усложнённая" модель 52
2.4 Расчёт потенциала и отношения сигнал/шум для одиночной и
множественной цели для метеорологического комплекса МРЛ-1 и НДР и
ИКРМГАПИ 54
2.5 Определение ГМИ1! и геометрии рассеивающего объёма двухантеш-юго
варианта НДР 59
Глава 3. Аппаратурный комплекс 61
3.1 Требования, предъявляемые к радиолокаторам, предназначенным для
ветрового зондирования атмосферы, используя методы доплеровской
томографии 61
3.2 Требования к НДР-комплексу, как измерительной системе,
предназначенной для определения вертикального профиля ветра методом
доплеровской томографии 63
-
Возможные варианты построения непрерывных доплеровских систем 64
-
Выбор и обоснование блок-схемы построения 8 мм непрерывной РЛС, реализующей методы доплеровской томографии 69
-
Технические параметры непрерывного доплеровского радиолокатора 71
3.6 Узлы и устройства, которые вводятся в радиолокатор. Обоснование
технических требований к ним 76
-
Требования к передатчику 77
-
Требования к приёмнику а) шум-фактор, б) динамический диапазон,
в) линейность, г) усиление 78
3.7 Определение знака скорости методом квадратур 82
3.8. Требования к питающим напряжениям 85
3.9. Требования к системам обработки сигналов и программному
обеспечению 87
Глава 4. Исследования технических параметров НДР-комплекса в лабораторных
условиях 92
4.1 Цели лабораторных исследований 92
4.2 Состав аппаратуры, используемой при испытаниях шумовых
характеристик НДР 95
-
Способы представления результатов 96
-
Исследование шумовых характеристик отдельных узлов и всего НДР комплекса 98
-
Проверка шумовых спектральных характеристик блоков питания НДР и их влияние на работу узлов НДР комплекса 99
4.6 Влияние внешних факторов, включая отражения от близко
расположенных "местных предметов" на спектральные шумовые параметры
НДР-комплекса 102
-
Исследование пространственного распределения излучения в раскрыве антенны 102
-
Исследование влияния близко расположенных объектов и влияния установки на приёмную антенну поляризатора и заглушек на спектральные шумовые характеристики НДР-комплекса 104
4,7. Оценка динамического диапазона и нелинейных искажений,
возникающих в НДР-комплексе 107
4.8 Определение энергетического потенциала НДР-комплекса 109
Глава 5 Натурные испытания 8 мм НДР-комплекса и определение его
потенциальных возможностей для ветрового зондирования атмосферы и
идентификации полезных целей 114
-
Цели натурных испытаний 8 мм НДР-комплекса 114
-
Организация проведения натурных испытаний 116
5.3. Определение реального потенциала НДР-комплекса по сфере с
известной ЭПР 117
5.4 К методике по проведению ветровых измерений НДР-комплексом 119
5,5. Ветровые измерения НДР-комплексом 120
-
Уточнение методики по проведению ветровых измерений НДР-комплексом 137
-
Использование непрерывной доплеровской РЛС для распознавания образов 138
5.7.1.Обоснование возможности использования НДС для распознавания
образов 138
-
Обоснование облика радиолокационного тракта предназначенного для решения задачи многоклассового распознавания 139
-
Математическая модель отражённого радиолокационного сигнала ..141
5.7.4 Результаты испытаний НДР-комплекса 142
Заключение 145
Список литературы 147
і'
*
Приложение А. Инструкция по работе с метеорологическим комплексом для
ветровых измерений. Описание программы съёма данных для платы ЛА 1.5
PCI-LA15 Data Viewer 1.0LA15 155
Введение к работе
Доплеровские радиолокационные системы завоевали прочные позиции во многих областях метеорологии. Они используются как инструмент, позволяющий определять характер динамических метеопроцессов, протекающих в атмосфере. Для многих отраслей народного хозяйства необходимы подробные и надёжные данные о ветре в нижних слоях атмосферы.
Трудности разработки методов ветрового зондирования связаны с тем, что ветер является величиной быстроизменяющейся во времени и пространстве. Его скорость и направление может варьироваться в широких пределах, изменяются с высотой, причем резкие изменения могут возникать в "тонких" слоях, составляющих всего несколько десятков метров.
В настоящее время для ветрового зондирования широко используются "контактные" - анемометрические методы. Для их реализации используются анемометры (измерители скорости ветра), устанавливаемые на высотных мачтах.
Достоинство этих методов состоит в том, что измерения на фиксированных высотах можно производить непрерывно, в течение сколь угодно длительного промежутка времени.
Недостатки очевидны: высота зондирования определяется высотой опор, на которых установлены анемометры, возникают сложности при наблюдении в экстремальных условиях при ураганном ветре.
Во вторую группу входят радиопилотные методы. Их реализация этих методов связана с выпуском в свободный полет наполненного водородом шар-зонда, слежение, за перемещением которого в пространстве осуществляется при помощи оптического (радио) теодолита или радиолокатора. Скорость и направление ветра рассчитывается по изменению угловых координат и известной скоростью подъе- ма шар-зонда во времени V(H) = —-^-, где А/- - изменение радиус-вектора за время At.
Разработано множество различных модификаций шар-пилотных методов. Но все они имеют общие недостатки, имеющие принципиальный характер: требуют выпуска наполненного водородом шара-зонда и, как следствие, длительное время наблюдений; низкая оперативность: требуется водород, оболочка, источник питания, радиозонды, уголковые отражатели; низкая точность измерения ветра, особенно на "малых" высотах (порядка 0-30 м).
Следует отметить то, что чем сильнее ветер у поверхности земли, тем сложнее проводить измерения [18]. Методы практически не пригодны при больших и, тем более, при ураганных скоростях ветра и т.д.
Поэтому не вызывает сомнения актуальность разработки альтернативных дистанционных методов, позволяющих непрерывно получать данные о вертикальном профиле ветра с высокой точностью и надежностью в любых погодных условиях.
С конца 50-х и первой половины 60-х годов берет начало разработка доп-леровских радиолокационных систем предназначенных для определения скорости и направления ветра в нижних слоях атмосферы. Для таких систем носителем информации о ветре в осадках являются капли дождя, снежинки, а в безоблачной атмосфере диэлектрические неоднородности воздуха, а также семена растений, мелкие насекомые, «крупные» аэрозольные частицы, которые присутствуют в атмосфере и хорошо увлекаются воздушным потоком.
Достоинства доплеровских радиолокационных систем определения ветра в нижних слоях атмосферы по сравнению с традиционными несомненны: не требуется выпуск шар-зондов, ветер V получается усредненный по пространству. Появляется возможность определения на различных высотах одновременно с ветром величины его пульсации SV (а. следовательно порывистости —-), оперативность, возможность длительных непрерывных измерений ветра.
Первые ветровые системы были построены на базе модернизированных импульсно-когереитных станций [22, 71].
Однако, ИКС имеют сложную конструкцию, а также обладают рядом принципиальных недостатков, связанных с импульсным характером их работы, а именно; неоднозначностью измеряемых скоростей при больших скоростях движения объектов, ограниченной дальностью, необходимостью работать при широкой полосе пропускания приёмной системы. Ограничение возможностей ИКС особенно сказывается при переходе к миллиметровым длинам волн, т.к. максимальное значение однозначно определяемой скорости Vmax и максимальная дальность Lmax связанны с длинной волны X соотношением: LmxVmM < —.
Например, при работе на длине волны 8 мм и заданной дальности Lmax=30 км, однозначно определяемые скорости не превышают 10 м/с, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к метеорологическим РЛС, Использование радиолокаторов работающих на длине волны 3 мм еще более уменьшает дальность действия таких систем.
Однако с развитием вычислительной техники удается существенно расширить арсенал радиолокационных средств, которые можно использовать для решения задач ветрового зондирования. То, что 10 лет назад казалось практически не выполнимым, сегодня становиться реальным. Настало время применения новых радиолокационных средств и методов, позволяющих автоматизировать процесс измерения ветра и обработку большого объема получаемой информации в реальном масштабе времени.
Работа с непрерывными доплеровскими системами, и обработка полученных данных представляют трудоемкий процесс [16, 20, 73]. Работы по проведению измерений производились в два совершенно отдельных этапа. Первоначально данные записывались на промежуточные носители информации: в аналоговом или цифровом виде на магнитную ленту, а затем, после вычислительной обработки данных производилось восстановление профиля ветра.
Вместе с тем, миллиметровом диапазоне резко возрастает отражаемость метеообъектами и можно создать узконаправленное излучение при относительно небольших размерах антенной системы радиолокатора [42]. Это особенно ценно при создании малогабаритных ветровых систем.
Поэтому возникает необходимость рассмотрения возможности применения для ветрового зондирования атмосферы непрерывных доплеровских радиолокаторов (НДР), работающих с монохроматическими источниками излучения. НДР системы перечисленными недостатками не обладают. Практически нет ограничений ни на величину регистрируемой скорости, ни на дальность. Кроме того, привлекает простота их схем и конструкции, возможность одновременной работы на нескольких длинах волн, энергетический выигрыш по сравнению с ИКС. Однако практическое применение непрерывных доплеровских систем ограничено.
Основной причиной этого являются трудности пространственной селекции принимаемого сигнала и, как следствие, сложность интерпретации полученных результатов [11, 19, 30, 37],
В МГУПИ на протяжении последних 20 лет ведутся работы в этом направлении, решение этой проблемы получило свое развитие во многих работах, где рассматриваются методы восстановления поля ветра, основанные на использовании доплеровских спектров, полученных с помощью непрерывных РЛС [13, 15,27].
Метод, разработанный на кафедре ПР-5, позволяет определить связь между спектром отражённого сигнала на выходе фазового детектора g(F) с вертикальным профилем ветра V(H). Основа такого перехода основана на использовании метода доплеровской томографии. Томографический метод позволяет точно определить распределение экстремальных скоростей, однако не обеспечивает получение тонкой структуры поля скоростей, например, параметров турбулентности. Томографический метод реконструирует средний профиль ветра, усреднен-ньш по площади ~ 1км . Время, которое требуется для проведения таких измерений, составляет порядка минуты.
В работах [19, 21, 22] рассмотрены возможности непрерывных доплеровских радиолокаторов работающих в диапазоне 10-40 ГГц (3-0,8 см) [1, 6, 45].
Представляет большой практический интерес рассмотрение возможности применения для целей ветрового зондирования коротковолновой радиолокационной аппаратуры, в частности работающей в диапазоне частот 55-95 ГГц (0,5-0,3 см). Укорочение длины, на которой работает радиолокационный комплекс должно обеспечить резкое увеличение сигнала радиоэхо от аэрозоля и гидрозоля, содержащихся в атмосфере, тем самым, расширив диапазон погодных условий, в которых возможно проведение ветровых измерений.
На пути практической реализации потенциальных возможностей НДР, работающих в миллиметровом диапазоне необходимо решать множество достаточно сложных задач, связанных со схемой построения радиолокационного комплекса, определения технических требований, которые предъявляются к нему, системе обработки и представления полученных данных.
Цель диссертационной работы состояла в разработке малогабаритного аппаратурного комплекса на базе непрерывного радиолокатора миллиметрового диапазона, обеспечивающего практическую реализацию "восстановления" вертикального профиля ветра методом доплеровской томографии.
Для решения поставленной в работе задачи необходимо было:
Теоретически обосновать требования к энергетическому потенциалу НДР миллиметрового диапазона, обеспечивающего выполнение ветровых измерений в диапазоне высот 10-800 метров, при использовании в качестве "датчиков", движущихся вместе с воздушным потоком капель, кристаллов и крупнодисперсной фракции аэрозоля.
Провести энергетический расчёт и определить круг метеорологических объектов, в которых возможно определение скорости и направления ветра на базе разрабатываемой непрерывной доплеровской станции.
Обосновать технические требования к радиолокационному и вычислительному комплексам, предложить методику проведения измерения и обработки получаемых данных, позволяющую анализировать параметры отраженного сигнала непосредственно в процессе измерений.
В соответствии с обоснованными техническими требованиями к НДР, создать макет 8 миллиметрового НДР-комплекса для получения профиля ветра в реальном масштабе времени и провести его лабораторные испытания,
Провести испытания разработанного НДР-комплекса в натурных условиях. Определить его реальный потенциал. Определить возможность перспективы использования НДР-комплекса для измерения ветрового поля и "восстановления" вертикальных профилей ветра методами доплеровской томографии.
Провести измерения отражающих свойств различных метеообразований, включая осадки в виде дождя и снега, а также "ясную" безоблачную атмосферу.
Проанализировать и проверить возможность использования НДР для распознавания различных образов.
Ввиду того, что элементная база необходимая для разработки доплеровских радиолокационных систем к настоящему времени в нашей стране далека от совершенства, следовало рассмотреть и оценить различные варианты построения непрерывных доплеровских систем и дать оценки практической целесообразности их использования для решения основной цели поставленной в настоящей работе.
В ходе проведения работ необходимо выработать рекомендации по схеме построения НДР, которые должны базироваться помимо теоретических расчётов также на результаты лабораторных и полевых испытаний.
Эта часть работы имеет самостоятельную значимость, т.к. экспериментальные данные о доплеровских спектрах и отражаемости различных метеообразований для миллиметрового диапазона в имеющейся в нашем распоряжении литературе крайне скудны.
