Способ измерения интенсивности дождя и устройство для его реализации

 

1. Способ измерения интенсивности дождя, основанньй на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала той же поляризации, измерении отношения g мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала , измерении отношения g, мощности второго радиолокационного сигнала к мощности собственного шума приемприемника с последующим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g, g,, о т л и-. чающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, излучаемый и принимаемьй вторые радиолокационные сигналы имеют круговую поляризацию , а интенсивность доадя 3 определяют по формуле :,J J iSIlL z ,48/ где Z - радиолокационная отражаемость дождя. 2. Устройство измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробиррвания, пиковый детектор . интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности измерений , в него введены вращающаяся секция круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, вал которого соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волно па с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, причем выход антенного переключателя подключен к входу антенны через вращающуюся секцию круглого волновода со встроенной четвертьволновой пластинкой.

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(so 001 S 139

ОПИСАНИЕ- ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Б л -., Cg

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3557345/24-09 (22) 21.02.83 (46) 07.12.84. Бюл. Ф 45 (72) Н.Н. Бадулин, Е.Б. Кульшенева и В.Н. Татаринов (71) Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (53) 621.396.969(088.8) (56) 1. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии..Ч., Гидрометеоиздат, 1973.

2. Дадали 10.А., Абашев М.Т. Радиолокационные измерения интенсивности дождей и снегопада. Труды ВГИ, 1972, вып. 20, с. 65-70. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ

ДОЖДЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ. (57) 1. Способ измерения интенсивности дождя, основанный на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной поляризации, приеме отраженного от дожпя сигнала той же поляризации, измерении. отношения

g „ мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала, измерении отношения g< мощности второго радиолокационного сигнала к мощности собственного шума приемприемника с последуюшим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g g, о т л и-. ч а ю шийся тем, что, с целью

„„SU„„112 211 А повышения точности измерений, излучаемый и принимаемый вторые радиолокационные сигналы имеют круговую поляризацию, а интенсивность дождя 3 определяют по формуле

<+>1 Я

3- Z

1Ь,22Д Я +048 где Z — радиолокационная отражаемость дождя.

2. Устройство измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, отличающее с я тем, что, с целью повьппения точности измерений, в него введены вращающаяся секция круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, вал которого соединен механическои зубчатой передачей

1:1 с вращающейся секцией круглого волновопа с встроенной четвертьволновой фаэовой пластинкой, причем выход антенного переключателя подключен к входу антенны через вращающуюся секцию круглого волновода со встроенной четвертьволновой пластинкой.

1128211

15

25

40 °

50

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для определения интенсивности дождя радиолокационным способом.

Известны способ и устройство (1) измерения интенсивности дождя, основанные на определении с помощью радиолокатора с линейной поляризацией излучения радиолокационной отражаемости и последующем расчете интенсивности дождя по формуле

1 =(„ ), где 3 — интенсивность дождя, мм/ч;

Z — радиолокационная отражае- мость, мм /мз;

А,  — постоянные коэффициенты, определяемые эмпирическим путем.

Однако известные. способ и устройство измерения интенсивности дождя не обеспечивают заданной точности измерений, что обусловлено изменчивостью коэффициентов А и В и отсутствием информации, позволяющей кор ректировать эти коэффициенты.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения интенсивности дождя, основанный на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала, поляризация которого совпадает с поляризацией измеряемого сигнала, измерении отношения g мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника, расчете по измеренному отношению g радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала., измерении отношения g мощности собственного шума приемника и расчете интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g, g„(2).

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника 12).

Однако известные способ и устройство не обеспечивают требуемой мощности измерений интенсивности дожДяе

Цель изобретения — повышение точности измерения интенсивности дожДяе

Цель достигается. тем, что согласно способу измерения дождя, основанному на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала той же поляризации, измерении отношения g мощности npuk нятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго ра" диолокационного сигнала, измерении отношения g „ мощности. второго радиолокационного сигнала к мощности собственного шума приемника с последующим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений

g . я, излучаемый и принимаемый втоп -к рые радиолокационные сигналы имеют круговую поляризацию, а интенсивность дождя 3 определяют по формуле ° г я, (<, 3- Z

33,22Ц l +048

/ где Z — радиолокационная отражаемость,дождя.

В устройство измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, введены вращающаяся секция круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, вал

V(d) =Си (3) 3 11282 которого соединен механической зубчатой передачей 1: 1 с вращающейся секцией круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, причем выход антенного переключателя подключен к входу антенны через вращающуюся чекцию круглого волновода со встроенной четвертьволновой пластинкой.

На чертеже представлена структур- 10 ная электрическая схема предлагаемого устройства измерения интенсивности дождя.

Устройство содержит передатчик 1, антенный. переключатель 2, вращающуюся секцию 3 круглого волновала со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, антенну 4, приемлик 5, блок 6 стробирования, пиковый детектор 7, интегратор 8, генератор

9 стандартных сигналов, блок 10 управления, исполнительный механизм

11, вычислитель 12.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. 25

Интенсивность осадков может быть определена следующим образом 11 1111 К

3=6Р 1î y(J ),1 У(,У ) Д(,1 ) (i) min где 3 — интенсивность осадков, мм/ч в р (d э) — функция распределения частиц осадков в единице обьема по эквивалентным диаметрам мм-" /мЗ

d — эквивалентный диаметр частиц, мм;

40 .d,,d . — максимальный и минималь111а11 min ный диаметры частиц, мм;

V(d ) — скорость падения частиц в зависимости от эквивалентного диаметра, 45 м/с.

Распределение частиц осадков по размерам описывается распределением

Mapmaaa-Пальмера

-il д . 50

y(d,) = N а, (2) где N и и — параметры распределения, а зависимость скорости падения частиц от эквивалентного диаметра — вы ражением вида

11 4 где С вЂ” постоянный множитель (С =

= 4,1).

Подставляя (2) и (3) в (1) и производя интегрирование, можно получить

1-Э <О

Радиолокационная отражаемость выражается через функцию распределе ния частиц по размерам следующим образом

ЙН6 11

Z = у(1,Иэ d(d)) (5)

С1 1nin

Подставляя в (5) распределение.

Маршала-Пальмера и учитывая, что радиолокационная отражаемость выражается через радиусы частиц, получим mcrx йе 1э 1(1э) =1" ь ®

11оэ г=—

64. min

Капли дождя имеют форму, отличную от сферической, причем, чем больше размер капли, тем больше отличие ее формы от сферы. При этом отношение вертикального размера капли к горизонтальному определяется соотношением — 1,03-0,124 r, для 0.5 мм (CI (7) (г (4.5 мм) где r — эквивалентный радиус капли, мм, а — = у — фактор формы частицы.

Фактор формы чаСтиц может быть измерен по отношению мощностей эхосигналов, принимаемых при круговой и линейной поляризации. При этом отношение мощностей связана с фактором формы следующим соотношением (8) к„ где 4= — — отношение средних мощP настей при круговой и линейной поляризациях;

"г- фактор формы частиц.

Решив уравнения (7) и (8) совмест2 = а„аобу

d = (9)

3э,22 flu. +о, в э 1+21/

Таким образом, если все капли имеют одинаковый размер, измерив р, 112821 l можно однозначно определить их эквивалентный диаметр.

Радиолокационная отражаемость одной частицы Z пропорциональна шес1 той степени ее эквивалентного диаметра з

Радиолокационную от ажаемость п частиц с одинаковыми эквивалентными диаметрами можно записать

Е„=nk d, (10)

Количество частиц в единице объема, размер которых лежит в интервале (d> d + ййз), равно

"э+ "э и = NI y(d )d(dq), э где N — концентрация частиц (,общая).

Пусть йй э ((d )пс — d да

n = N - y(d ) 4d>. (11)

С учетом (10) и (11) радиолокационная отражаемость частц, размеры которых лежат в интервале (Йэ, d э + ЛЙД, может быть записана следующим образом

Z(dz, d> + d d>) = n k d

= k и у(а) d, hd . (12)

Суммарная радиолокационная отражаемость единицы объема равна

6 с э f (Оэ) о(оэ) (i3) а функция Z(d ) выражается следуюЭ щим образом ,(,,», А) (14) э/ эйэ) (э) о или для распределения капель по размерам типа Маршала-Пальмера

Z(d. ) =, 6,.а, Е

Первый начальный момент этого распределечия (среднее значение) равен max

7 ЭЗ,22ф+ О48

Л 12

lain

Отсюда

7+44+/<, jl-- (16)

ЭЭ,22 Ур + 0,48 т.е. по измеренному,о.можно одно5 значно определить параметр h распределения капель дождя по размерам.

Соотношение (16) отражает следующее физическое явление: при уменьшении параметра h распределение ка10 пель по размерам, относительная концентрация крупных капель увеличивается, полоса размеров капель, дающих основной вклад в радиолокационную отражаемость, смещается в сторо15 ну больших размеров. При этом отличие формы капель от сферы увеличивается и соответственно отношение мощностей эхо-сигналов при круговой и линейной поляризации увеличивается.

20 Выразив параметр N через радиолокационную отражаемость Z в соответствии с (6) и подставив его в соотношение (4}1 получим

"2 1 3 A -Э 25

25 3=9 10 — — =8 1O Zil S 1Р г

С учетом (16) будем иметь

31+ 2Кр

ЗЗ,22 Г +б,48 . (18)

30

Полученное соотношение позволяеч по измеренным значениям Z и,и рассчитать интенсивность дождя.

Устройство работает следующим

35 образом.

Вращающаяся секция 3 круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой может зани мать два фиксированных положения.

)О

B первом положении плоскость фазовой пластинки либо параллельна, либо перпендикулярна широкой стенке прямоугольного волновода, соединяющего передатчик.и вращающуюся

45 секцию и в том и в другом случае поляризация излучения линейная, во втором положении плоскость фазовой пластинки ориентирована под углом

45 относительно широкой стенки

О

50 прямоугольного волновода. Прямоугольный волновод соединяется с вращающейся секцией круглого волновода плавным переходом. Выход вращающейся секции соедииен с коническим ру5 порным облучателем антенны 4 круглым волноводом. Переход из одного фиксированного положения в другое осуществляется с помощью исполнительного механизма 11, выполненного в виде синхронного шагового микродвигателя, преобразующего команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала. Исполнительный механизм 11 соединен с вращающейся секцией 3 механической зубчатой передачей 1: 1 и смонтирован на общем основании с ней. Управляющие импульсы на исполнительный механизм поступают из блока 10 управления, который представляет собой генератор импульсов, имеющий режим однократного запуска и режим внешней синхронизации.

Когда фазовая пластинка занимает первое фиксированное положение, линейнополяризованное излучение передатчика 1 (импульсное), пройдя без изменения поляризации антенный переключатель 2 и вращающуюся секцию

3, излучается антенной 4 в направлении цели (дождя). Принятый антенной 4 эхо-сигнал, пройдя вращающуюся секцию круглого волновода и антенный переключатель 2, поступает на вход приемника 5. Амплитудная характеристика приемника при этом с помощью генератора 9 стандартных сигналов предварительно прокалибрована, т.е. по величине выходного сигнала можно определять мощность

I. сигнала, поступающего на вход приемника. С выхода приемника 5 сигнал поступает на вход блока 6 стробирования, выполненного по ключевой схеме. Блок 6 стробирования пропускает на пиковый детектор 7 сигнал только с заданной дальности. Выбор дальности осуществляется оператором. С выхода пикового детектора

7 флуктуирующее напряжение, пропорциональное мощности принимаемого эхо-сигнала, поступает на интегра1128211 8 тор 8, где происходит его усреднение. Таким образом, на выходе интег ратора 8 напряжение пропорционально средней мощности .эхо-сигнала

5 при линейной поляризации излучения.

Амплитудная калибровка, проведенная предварительно, позволяет определить величину этой мощности. По величине средней принимаемой мощности эхо-сигнала, дальности до цели и потенциалу локатора в вычислителе определяется радиолокационная отражаемость Z.

Когда фазовая пластинка занима15 ет второе фиксированное положение, линейнополяризованное излучение передатчика 1, пройдя антенный переключатель 2, поступает на фазовую четвертьволновую пластинку и

20 преобразуется в излучение, поляризованное по кругу. 3хо-сигнал, проходя приемный тракт локатора, претерпевает те же преобразования, что и сигнал при линейной поляриза25. ции излучения. По величине выходного сигнала устройства в вычислителе 12 определяется величина мощнос-. ти эхо-сигнала при круговой поляризации излучения. После этого вразо щающаяся секция 3 кругового волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой возвращается в исходное положение. По величинам мощностей эхо-сигнала при круговой

35 и нейной поляризациях изучения и величине радиолокационной отражаемости в вычислителе 3 определяется интенсивность дождя.

Сравнительный анализ показал, что предлагаемые способ измерения интенсивности дождя и устройство для его реализации позволяет обеспечить более высокую точность измерений.

1128211

Составитель В. Родзивилов

Техред Л. Коцюбняк Корректор M. Максимишинец

Редактор С. Патрушева

Заказ 9025/35 Тираж 710

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

ФилиааюППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4