Способ измерения интенсивности дождя и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для измерения интенсивности дождя радиолокационным способом. Техническим результатом является то, что способ измерения интенсивности дождя использует два цикла измерений, который достигается тем, что дождь облучают сигналами вертикальной и горизонтальной поляризации, принимают рассеянные сигналы, измеряют их уровни после чего, используя измеренные значения уровней сигналов, рассчитывают интенсивность дождя. Сравнительный анализ с другими способами измерения интенсивности дождя радиолокационным способом показывает, что данный способ позволяет увеличить дальность измерения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение отнесется к радиолокации и может быть использовано для измерения 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

где I - интенсивность дождя, мм/час;

Z - радиолокационная отражаемость, мм⁶/м³;

А, В - 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 корректировать эти коэффициенты.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ измерения интенсивности дождя и устройство для его реализации (патент РФ № 1128211, In.cl⁴ G 01 S 13/95, приоритет от 21.02.83), который заключается в том, что дождь облучают первым сигналом линейной поляризации, принимают отраженный от дождя сигнал той же поляризации, измеряют отношение g_л мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости Z, облучают дождь вторым сигналом круговой поляризации, принимают сигнал той же поляризации, измеряют отношение g_к мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника и определяют интенсивность дождя I по формуле

где Z - радиолокационная отражаемость дождя, мм⁶/м³.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство измерения интенсивности дождя (патент РФ № 1128211, In.cl⁴ G 01 S 13/95, приоритет от 21.02.83), содержащее последовательно соединенные передатчик, антенный переключатель, вращающаяся секция круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, причем вход приемника подключен ко второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен ко второму входу блока стробирования, выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, а вал исполнительного механизма соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волновода.

Недостатком этого способа и устройства, являются ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в небольшой дальности измерения.

Это следует из анализа зависимостей мощности принятого сигнала круговой поляризации и принятого сигнала линейной поляризации от расстояния между радиолокатором и зоной дождя (см. фиг.1).

Мощность сигнала на входе приемника, как это следует из основного уравнения радиолокации [I], обратно пропорциональна расстоянию до цели в четвертой степени.

Измеряемые значения отношения лежат в интервале от -13 до -20 дБ [2]. Иными словами, уровень принимаемого сигнала при круговой поляризации на 13-20 дБ меньше уровня сигнала при вертикальной поляризации. Это означает, что при увеличении расстояния до зоны дождя до некоторого значения R₁ (см. фиг.1) наступает такой момент, при котором уровень принимаемого сигнала круговой поляризации становится сравним с уровнем собственных шумов приемника, что делает дальнейшие измерения невозможными. Это обстоятельство и ограничивает дальность измерений для способа-прототипа.

В заявляемом способе измеряемым является отношение принимаемых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации. Это отношение для дождя изменяется в интервале от 0 до -3 дБ [2]. Уровень сигнала вертикальной поляризации может быть на 0-3 дБ меньше уровня сигнала горизонтальной поляризации. Расстояние до зоны дождя, при котором уровень принимаемого сигнала вертикальной поляризации становится сравним с уровнем собственных шумов приемника (на фиг.1 это расстояние обозначено R₂), значительно больше аналогичного расстояния для способа-прототипа при прочих равных условиях.

Заявляемый способ и устройство для его осуществления направлены на расширение функциональных возможностей измерения интенсивности дождя радиолокационным способом.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения - повышение дальности измерения интенсивности дождя.

Решение указанной задачи достигается тем, что согласно способу измерения интенсивности дождя, основанному на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной вертикальной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала той же поляризации, измерении отношения g_в - мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя и облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала, измерении отношения g_г мощности второго радиолокационного сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g_г и g_в, излучаемый и принимаемый вторые радиолокационные сигналы имеют линейную горизонтальную поляризацию, а интенсивность дождя I определяют по формуле:

где Z - радиолокационная отражаемость дождя, мм⁶/м³.

В устройстве измерения интенсивности дождя, содержащем последовательно соединенные передатчик, антенный переключатель, вращающуюся секцию круглого волновода и антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, причем вход приемника подключен ко второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен ко второму входу блока стробирования, выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, а вал исполнительного механизма соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волновода, во вращающуюся секцию круглого волновода встроена полуволновая фазовая пластинка.

На фиг.2 представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства измерения интенсивности дождя.

Устройство содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, вращающуюся секцию 3 круглого волновода со встроенной полуволновой фазовой пластинкой, антенну 4, приемник 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.

Для жидких осадков интенсивность определяется соотношением [3-5]:

где p(d_э)³ - функция распределения частиц осадков в единице объема воздуха по эквивалентным диаметрам, мм^-1/м³;

V(d_э) - скорости падения частиц в зависимости от эквивалентного диаметра, м/с;

d_min и d_max - минимальный и максимальный диаметры частиц,

I - интенсивность осадков, мм/ч.

Радиолокационная отражаемость Z (мм⁶/м³) [3-5], определяется как:

Выражение для V(d_э) анализируется в [3] и имеет вид:

Распределение частиц осадков по размерам описывается распределением Маршалла-Пальмера:

Здесь N и λ - параметры распределения. N имеет смысл концентрации капель, а Х определяет ширину спектра.

Используя соотношения (1), (2), (3), (4) можно получить:

Здесь Z - радиолокационная отражаемость, выраженная через диаметры частиц. Для распределения капель по размерам типа Маршалла-Пальмера распределение отражаемости по размерам имеет вид [6]:

а первый начальный момент этого распределения равен:

С другой стороны, известно [2,6]:

где - средневзвешенный электрический фактор формы, который может быть определен по отношению средних мощностей принимаемого сигнала при линейной горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения.

Выразив параметр N через радиолокационную отражаемость Z в соответствии с (5) и подставив его в соотношение (6), получим:

С учетом (8), (9) окончательно будем иметь:

Полученное соотношение позволяет по измеренным значениям Z, _в и g_г рассчитать интенсивность дождя.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Передатчик 1 генерирует высокочастотный импульс, который через антенный переключатель 2 поступает на вращающуюся секцию 3 круглого волновода с встроенной полуволновой фазовой пластинкой.

Вращающаяся секция 3 круглого волновода с встроенной полуволновой фазовой пластинкой может занимать два фиксированных положения. В первом положении плоскость фазовой пластинки либо параллельна, либо перпендикулярна широкой стенке прямоугольного волновода, соединяющего передатчик и вращающуюся секцию, и в том и в другом случае поляризация излучения линейная вертикальная. Во втором положении плоскость фазовой пластинки ориентирована под углом 45° относительно широкой стенки прямоугольного волновода, что соответствует линейной горизонтальной поляризации излучения [7].

Прямоугольный волновод соединяется с вращающейся секцией круглого волновода плавным переходом. Выход вращающейся секции соединен с коническим рупорным 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, линейно вертикально поляризованное 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 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 интегратор 8, где происходит его усреднение. Таким образом, на выходе интегратора 8 напряжение пропорционально средней мощности эхо-сигнала при линейной вертикальной 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 занимает второе фиксированное положение, линейно вертикально поляризованное излучение передатчика 1, пройдя антенный переключатель 2, поступает на фазовую полуволновую пластинку и преобразуется в излучение, поляризованное линейно горизонтально. Эхо-сигнал, проходя приемный тракт локатора, претерпевает те же преобразования, что и сигнал при линейной вертикальной поляризации излучения. По величине выходного сигнала устройства в вычислителе 12 определяется величина мощности эхо-сигнала при линейной горизонтальной поляризации излучения. После этого вращающаяся секция 3 кругового волновода с встроенной полуволновой пластинкой возвращается в исходное положение. По величинам мощностей эхо-сигнала при вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях излучения 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 дальность измерений.

Литература

1. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

2. Бадулин Н.Н., Бацула А.П., Кулыненева Е.Б. и др. Экспериментальное исследование анизотропии рассеяния радиолокационных сигналов облаками и осадками. - Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. Том 20, № 6, 1984, с.505-510.

3. Литвинов И.В. Осадки в атмосфере и на поверхности земли. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 208 с.

4. Литвинов И.В. Структура атмосферных осадков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973, 343 с.

5. А.М.Боровиков и др. Радиолокационное измерение осадков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 140 с.

6. Описание изобретения к патенту РФ N 1128211, In.cl⁴ G 01 S 13/95, приоритет от 21.02.83. Способ измерения интенсивности дождя и устройство для его реализации. Авторы Н.Н.Бадулин, Е.Б.Кульшенева, В.Н.Татаринов.

7. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов - М.: Сов. радио, 1966.

Формула изобретения

1. Способ измерения интенсивности дождя, основанный на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной вертикальной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала той же поляризации, измерении отношения g_в - мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя и облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала, измерении отношения g_г мощности второго радиолокационного сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g_г, g_в, отличающийся тем, что излучаемый и принимаемый вторые радиолокационные сигналы имеют линейную горизонтальную поляризацию, а интенсивность дождя I определяют по формуле

где Z - радиолокационная отражаемость дождя.

2. Устройство измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик, антенный переключатель, вращающуюся секцию круглого волновода и антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, причем вход приемника подключен ко второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен ко второму входу блока стробирования, выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, а вал исполнительного механизма соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волновода, отличающееся тем, что во вращающуюся секцию круглого волновода встроена полуволновая фазовая пластинка.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2