Введение к работе
1 Актуальность работы
Использование статистических методов в радиолокационной етеоролопш имеет более чем 40-летнюго историю. За ото время гдиолокационные методы, основанные на статистическом анализе луктуаций радиоэха, получили широкое развитие у нас в стране и .за убежом и позволили решить широкий круг очень сложных етеорологических задач, а именно, получить новые сведения о гроении метеообъектов и динамических процессах, протекающих в гмосфере. Значительные успехи были достигнуты в области рименения доплеровских радиолокационных станций для определения вижения воздушных потоков, характеристик турбулентности, икрофизических параметров облаков и осадков и т.д.
Потребителями радиолокационной информации обычно являются тециалисты, которые занимаются изучением строения атмосферы и ротекающих в ней процессов. Поэтому информация об облучаемом етеообъекте, которую несет в себе отраженный сигнал, обычно риводится к тем традиционным величинам, которые используют етеорологи, геофизики и специалисты по физике атмосферы при перативной работе и при моделировании атмосферных процессов. При гом переход от измеряемых радиолокационных величин к етеорологическим параметрам с оценкой точности их определения до астоящего времени остается одной из основных проблем адиолокационной метеорологии. В связи с этим повышение остоверности радиолокационной информации о протекающих гмосферных процессах являются одной из важнейших задач, стоящих еред статистической радиолокационной метеорологией. Решению казанной проблемы посвящается настоящая диссертационная работа, то и определяет ее актуальность.
.2 Состояние проблемы
Методика радиолокационного исследования метеообъекта может ыть представлена следующим образом. Радиолокационная станция ?ЛС), антенна которой направлена вертикально вверх или под пределенным углом к горизонту, облучает часть пространства лектромагнитным излучением в пределах, определяемых диаграммой аправленности антенны. РЛС может работать в непрерывном или мпульсном режиме, Ее основными параметрами являются: длина олны излучения, мощность выходного сигнала, чувствительность риемника излучения, распределение мощности в сечении луча, форма иаграммы направленности, длительность и частота посылок импульсов іля импульсного радиолокатора).
Метеоцель обычно занимает большой объем в пространстве, и в ольшинстве случаев одновременно радиолокатором облучается лишь
его малая чаеть(рассеивающий объем). Рассеивающий объем можні представить в виде объекта, состоящего из некоторого числа частиц которые рассеивают падающее на них излучение. Под термш "рассеивающие частицы" или "рассеиватели" могут подходить каплі дождей и облаков, градины и снежинки, пыль, насекомые, семеш растений и т.д. В качестве "частиц" могут рассматриваться і диэлектрические неоднородности атмосферы. Характер отраженной сигнала может определяться количеством, размерами, формой взаимным расположением в пространстве и диэлектрическим! свойствами рассеивателей, а флуктуации отраженного сигнала изменением этих параметров за время наблюдений. Наиболее чаете измеряемыми параметрами являются радиолокационная отражаемость ширина спектра интенсивности отраженного сигнала, ередниі доплеровский сдвиг частоты и ширина доплеровского спектра (длз доплеровской РЛС), и очень редко информация извлекается из формь спектра отраженного сигнала.
Ранее были получены соотношения, связывающие таки< параметры радиолокационного сигнала как его интенсивность, величин; среднего доплеровского сдвига, ширина доплеровского спектра илі интенсивности отраженного сигнала с такими метеорологическимі величинами, как средняя скорость переноса восходящих масс (векто{ скорости ветра), параметрами атмосферной турбулентности (скорості диссипации турбулентной энергии), вертикальный градиент ветра средний размер рассеивающих частиц. Практически все расчетные соотношения получены для условий, при которых можно пользоваться моделью, при которой рассеивателей, существенно влияющих н« формирование отраженного сигнала, в рассеивающем объем< "много"(раестояния между частицами много меньше линейны: размеров рассеивающего объема), и они "равномерно" распределены і пространстве, а среднее расстояние между ближайшиш рассеивателями превышает А./2, где ^.-длина волны излучение радиолокатора.
Однако, при радиолокационных исследованиях реальны:
метеообразований достаточно часто возникают ситуации, когд; рассеивателей в рассеивающем объеме "мало", т.е. расстояния межд^ рассеивателями сравнимы с размерами рассеивающего объем; (например, при отражениях от "ясного неба"). А в тех случаях, когд; рассеивателей "много", они могут занимать только часть рассеивающей объема или их отражающие свойства могут быть настолькі различными, что радиолокационная отражаемость будет определяться одним или несколькими рассеивателями. Так как процесс формирован!* радиоэхо заранее не известен, то полученными ранее и общепринятым] соотношениями необходимо пользоваться с большой осторожностью. 1 ряде случаев неправильный учет модели формирования радиоэх' вообще может привести к неправильным выводам. Поэтому проблемі определения структуры рассеивающего объема, влияющей ні
формирование отраженного сигнала, имеет первостепенное значение (ля того, чтобы правильно пользоваться теми соотношениями, которые голучены ранее, иди проводить выбраковку данных, которые не годлежат геофизической интерпретации.
Для того чтобы ответить на вопрос, как происходит формирование 'игналд радиоэхо, необходимо провести теоретические расчеты, (ыполнить соответствующее моделирование и на базе полученных (анных, предложить радиолокационные методы, которые оперативно югли бы ответить на вопрос о том, как происходит формирование >адиоэхо. В такой постановке требуется усовершенствование как радиолокационного комплекса, так и методики обработки данных, а амое главное подготовить почву для того, чтобы можно было надежно штерпретировать полученную информацию. Для этого предлагается іспользовать методы радиоголографии или сложные сигналы и детально анализировать форму спектра отраженного сигнала и юимпульсные распределения отражаемости. Отметим, что количество >абот, в которых анализируется форма спектра, крайне мало. В юдавляющем большинстве случаев эти работы не базируются на :адежном теоретическом фундаменте и поэтому часто заключения, юторые делаются при анализе спектра отраженного сигнала, не ыдерживают критики. Кроме того необходимо отметить, что до :астоящего времени нет законченных зарубежных и отечественных іабот, которые обеспечивали бы возможность отступления от радиционной модели рассеивающего объекта. По крайней мере нам не [звестны работы, в которых данная проблема нашла свое решение.
.3 Цели работы и задачи исследования
На основании сказанного цели настоящей работы были
формулированы следующим образом:
предложить радиолокационную модель, которая была бы пригодна ,ля. широкого класса метеорологических объектов, включая облака, садки, отражения от "ясного неба"(ОЯН), которая учитывала бы их азличное строение и микроструктуру.
разработать и теоретически обосновать радиолокационные методы, оторые позволяют в процессе наблюдений осуществлять ^станционный контроль внутренней структуры отражающего объекта тем самым повысить достоверность и точность информации о тгаамических процессах протекающих в атмосфере.
определить требования к радиолокационному и вычислительному омплексам, предложить алгоритмы обработки сигнала, позволяющие олучить данные о ветре и турбулентности в атмосфере в реальном сасштабе времени.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить ледующие задачи:
1.Предложить и обосновать модель рассеивающего объема с произвольным числом разнородных рассеивателей распределении? случайным образом в пространстве.
2.0ценить влияние количества рассеивателей в рассеивают^ объеме на точность в определении минимальных расстояний междэ ними.
З.Исследовать влияние геометрии рассеивающего объема на ви; распределения частиц по минимальным расстояниям, а также ж среднее минимальное расстояние между ними и среднеквадратичное отклонение от среднего минимального расстояния.
4.На основе анализа спектра интенсивности и функции корреляции отраженного сигнала предложить методы, позволяющие получил информацию о количестве и взаимном расположении отражателей г рассеивающем объеме.
б.Провести сравнительный анализ распределения вероятности интенсивности отраженного сигнала для множественной цели и системы из нескольких рассеивателей.
б.Теоретически исследовать влияние турбулентности на
интенсивность отраженного монохроматического г:
немонохроматического сигналов от метеообъектов с небольшим число?/ рассеивателей и множественных целей.
7.Разработать структуру измерительно-вычислителыюгс
комплекса, включая системы ввода, вывода и представления информации, а также программное обеспечение, позволяющее анализировать спектр отраженного сигнала непосредственно в процессе проведения измерений.
З.Провести геофизическую интерпретацию данных
радиолокационных измерений, полученных в МГАПИ, а также приведенных в работах зарубежных авторов.
1.4 Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
І.Предложена и теоретически обоснована радиолокационная модель, которую можно использовать для широкого класса метеорологических объектов, которая учитывает их внутреннюю структуру и параметры зондирующего излучения радиолокатора. Разработанную модель можно применять при работе доплеровских метеорологических радиолокационных станций в широком диапазоне длин волн.
2.Смоделирован и проанализирован процесс отражения радиолокационного сигнала с различной шириной спектра от совокупности произвольного числа рассеивателей с произвольными расстояниями между ними. Разработана методика определения внутренней структуры метеообъекта и расстояния между рассеивателями в рассеивающем объеме с помощью широкополосных і узкополосных сигналов.
З.Проведен анализ "тонкой структуры" радиоэхо с целью галучения геофизической информации о динамике процессов, протекающих в облаках, осадках и ОЯН.
1.5 Практическая ценность работы заключается, в том, что:
І.Разработана и теоретически обоснована модель метеообъекта, ірименение которой обеспечивает надежное определение структуры эасееивающего объема, и тем самым позволяет повысит достоверность данных о строении и динамических процессах, протекающих в сонтролируемом метеообъектс.
2.Разработана структура измерительно-вычислительного
сомплекса, который включает в себя РЛС, систему оцифровки :игнала(АЦП) и персональную ЭВМ. Определены требования к :истемам ввода, вывода и предоставления информации.
З.Предложены алгоритмы обработки отраженного сигнала, юзволяющие получать данные об атмосферных процессах в реальном масштабе времени.
4.Создан пакет программного обеспечения, позволяющий щализировать спектр отраженного сигнала непосредственно в процессе іроведенин измерений и представлять данные в удобном для интерпретации виде.
1.6 Реализация и внедрение -результатов работы:
Основные результаты работы используются в рамках научно-ісследовательской программы "Механизм РВО", которая ведется по :екции прикладных проблем РАН.
1.7 Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на
CVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн
Санкт-Петербург, 17-19 сентября 1996г), на Международной
сонференции COST-76 Profiler Workshop 1997 (Engelberg,
:3witzerland,12-16 May 1997), на XI Всероссийской школе по дифракции і распространению волн (Москва, 12-15 января 1998г).
1.8 Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.
1.9 Структура и объем диссертационной работы
