Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для измерения радиолокационной отражаемости облачной среды. Достигаемым техническим результатом является повышение точности измерения радиолокационной отражаемости облачной среды. Сущность заявленного способа заключается в том, что осуществляют радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от локальной исследуемой ее области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R) и расстояния (R) до этой амплитуды. Затем по результатам некогерентной обработки сигнала определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1). После этого дополнительно осуществляют когерентную обработку видеосигнала и, таким образом, определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_мах.2) и корректирующий множитель (К) как отношение найденных величин R_max.1 и R_max.2. Затем находят геометрический путь (R_max.г) как произведение найденного значения R_мах.1 на корректирующий множитель (К) и истинное значение радиолокационной отражаемости облачной среды по формуле

где С_λ - постоянная радара. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения радиолокационной отражаемости облачной среды при проведении активных воздействий на облака с целью предотвращения градобитий и искусственного увеличения осадков. Данный способ может быть использован также для решения многих прикладных навигационных задач, необходимых для нужд авиации и морского флота.

Известны различные способы измерения радиолокационной отражаемости, основанные, в основном на эмпирических зависимостях, не обеспечивающих необходимую точность измерений (Сулаквелидзе Г.К., Дадали Ю.А. Измерение интенсивности осадков мультилокаторами. - В кн.: Методы воздействия на градовые процессы. Труды ВГИ, вып.11. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968, с.198-207).

Наиболее близким к заявляемому объекту является способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды, включающий радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от облака с последующей обработкой сигнала и определением отражаемости (η) облачной среды по расчетным формулам (Руководство по применению радиолокаторов МРЛ-4, МРЛ-5 и МРЛ-6. / М.Т.Абшаев, И.И.Бурцев, С.И.Ваксенбург, Г.Ф.Шевела. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980, с.138-139 - прототип).

Суть известного способа измерения отражаемости заключается в том, что при зондировании облачной среды по экрану радара определяют максимальную амплитуду отраженного сигнала (Z_R) в децибелах и расстояние (R) до максимума амплитуды в км. Затем определяют отражаемость облачной среды (η) по формуле

,

где С_λ - обобщенная характеристика радара (постоянная радара), а Z_R - амплитуда отраженного сигнала в децибелах.

Однако известный способ измерения имеет массу недостатков. Один из них заключается в том, что на точность измерения радиолокационной отражаемости влияет множество факторов, значительная часть которых является неконтролируемой. Например, коэффициент усиления антенны, который принято считать константой. На самом деле данный коэффициент из-за нарушения синфазности сложения полей в плоскости раскрыва антенны меняется в пределах от 5-10 децибел. Кроме того, совокупность указанных неконтролируемых, т.е. неподдающихся измерению, факторов приводит к тому, что в каждом объекте локации между параметрами облачной среды и амплитудой интенсивностью эхо-сигнала устанавливается свой пространственный и временной масштаб, учесть которые существующими методами практически не возможно.

И, пожалуй, самый серьезный недостаток известного способа заключается в том, что при измерении параметра R_max.1 принято (R) считывать по положению максимума амплитуды эхо-сигнала (Z_R) под огибающей. При этом конечной дальностью будет расстояние, на котором максимум огибающей (Z_R) по высоте достигнет уровня минимального сигнала, как правило, это уровень шума.

На практике данное расстояние R_max.1 при определении радиолокационной отражаемости находят по формуле

полагая при этом, что R_max.1 и есть длина геометрического пути в одном направлении, что является ошибочным предположением. В этом предположении и заложена принципиальная ошибка известного способа, которая далее и определяет ошибку при измерении такого параметра, как радиолокационная отражаемость (η). На самом деле R_max.1 представляет собой оптический путь и из него необходимо выделить геометрическую составляющую и тем самым избежать последующих ошибок и повысить, таким образом, точность конечных результатов.

Указанные недостатки существенно снижают точность результатов измерений радиолокационной отражаемости, что серьезно сказывается на решении многих проблем, связанных с навигацией морских и воздушных судов, а также решения практических задач, связанных с воздействием на облачные процессы с целью предотвращения градобитий и искусственного регулирования осадков.

С учетом указанных недостатков техническим результатом от использования заявленного технического решения является повышение точности измерения радиолокационной отражаемости облачной среды.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения радиолокационной отражаемости облачной среды, включающем радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от локальной исследуемой ее области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R) и расстояния (R) до этой амплитуды, определение по данным проведенных измерений максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1) и максимальной интенсивности сигнала (Z_max.1), дополнительно определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2) путем когерентной обработки сигнала, затем определяют корректирующий множитель (K) как отношение величины R_max.1 к R_max.2 и геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_мах.1), по формуле

R_max.г=K·R_max.1,

после чего определяют радиолокационную отражаемость по формуле

где С_λ - обобщающая характеристика радара (постоянная радара).

Технический результат достигается и тем, что в известном способе измерения радиолокационной отражаемости облачной среды максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) определяют по формуле

Технический результат достигается также и тем, что в известном способе измерения радиолокационной отражаемости облачной среды когерентную обработку сигнала осуществляют путем относительного перемещения локальной исследуемой области по оси дальности, для чего на приемном конце радара вводят ступень затухания энергетического потенциала радара (ΔZ), имитируя, таким образом, перемещение локальной исследуемой области по оси дальности, затем с экрана радара определяют проекцию огибающей эхо-сигнала на данную ось до перемещения исследуемой локальной области (ΔR₁) по оси дальности и после ее перемещения (ΔR₂) затем по отношению найденных величин (ΔR₁ и ΔR₂) находят максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2) по формуле

где Z_max.1 - максимальная интенсивность сигнала, определяемая по формуле

a R_e - единичное расстояние, равное 1 км.

Технический результат достигается и тем, что в известном способе измерения радиолокационной отражаемости облачной среды, при определении проекции огибающей радарного эхо на ось расстояний берется начальный участок огибающей эхо-сигнала, ограниченный максимумом амплитуды радарного эха (Z_R).

Данный способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды имеет значительные преимущества в сравнении с известным способом, так как позволяет существенно повысить точность измерения за счет когерентной обработки сигнала, при которой учитывается влияние на результат измерения содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически представлена система, реализующая предлагаемый способ, точнее схематически представлен радар 1. По оси дальности (0-Х) схематически изображено облако 2, в котором выделена локальная исследуемая область 3. Принятый от объекта локации видеосигнал представлен на чертеже в виде огибающей 4. Максимальная амплитуда сигнала под огибающей 3 обозначена через

(Z_R), а расстояние от радара до этой амплитуды обозначено через R. Видеосигнал, полученный при имитации перемещения локальной исследуемой области 3 по оси дальности (0-Х), путем введения на приемном конце радара ступени затухания энергетического потенциала (ΔZ), представлен в виде огибающей 5. Проекции огибающих эхо-сигналов 4 и 5 на ось расстояний (0-Х) обозначены соответственно через ΔR₁ и ΔR₂. При определении проекций огибающих эхо-сигнала ΔR₁ и ΔR₂ берется начальный участок огибающих 4 и 5, ограниченный максимумом интенсивности эхо-сигнала (Z_R) под огибающей. На чертеже данные участки выделены жирной линией.

Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды реализуется следующим образом.

Предварительно осуществляют радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, например 10 см, и выделяют в нем исследуемую локальную область 3, где необходимо определить радиолокационную отражаемость облачной среды. В процессе зондирования облака 2 осуществляют прием эхо-сигнала от исследуемой локальной ее области 3 и отображают его на экране радара 1 в виде огибающей 4. После этого осуществляют некогерентную обработку сигнала. Для этого с экрана радара определяют максимальную амплитуду сигнала (Z_R) под огибающей 4 и расстояние (R) от радара до найденного уровня (Z_R). Далее, используя найденные значения (R) и (Z_R), расчетным путем находят максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) и максимальную амплитуду сигнала (Z_R) под огибающей 4. Для повышения точности измерения радиолокационной отражаемости дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала и определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2). В данном случае при определении R_max.2 учитывается влияние на результат измерения содержание воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров. После определения (R_max.2) находят корректирующий множитель (К) как отношение найденной величины R_max.1 к R_max.2. Далее, умножая значение R_max.1 на корректирующий множитель (К), находят геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1). Затем определяют истинное значение радиолокационной отражаемости по формуле

где С_λ - постоянная радара.

Пример конкретного выполнения способа

В качестве примера приводится результат измерения в полевых условиях радиолокационной отражаемости, где использовался метеорологический радар типа МРЛ-5, имеющей в штатном режиме постоянную С_λ=2,5·10²⁶ см³ и длину волны излучения λ=10 см.

В процессе радиолокационного зондирования в облаке был выделен локальный объем облачной среды, создающей в точке приема отраженный сигнал со следующими параметрами: R=78 км; Z_R=18 дБ (в одном направлении); ΔR₁=6,2 км; ΔR₂=4,0 км; ΔZ=9 дб - в одном направлении. Значения Z_R, ΔR₁ и ΔR₂ определены с экрана радара по огибающей эхо-сигнала.

Используя исходные данные, определяем:

1. Максимальную дальность аппаратурного контакта при некогерентной обработке сигнала:

R_max.1=R·10^0,1·Z _R=78 км·10^0,1·18=4921,4 км.

2. Максимальную интенсивность отраженного сигнала для одного направления:

Z_max.1=10·lgR+Z_R=10·lg78+18=36,9 dB.

3. Максимальную дальность аппаратурного контакта при когерентной обработке сигнала:

4. Корректирующий множитель (К):

5. Геометрический путь R_max.Г, соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1):

R_max.г=K·R_max.1=0,104·4921.4=513 км.

6. Истинную величину радиолокационной отражаемости облачной среды (η_ист.), предлагаемым способом:

Для сравнения находим радиолокационную отражаемость (η) традиционным методом:

Полученные значения отражаемости для двух сравниваемых случаев свидетельствуют о том, что традиционный метод дает завышенный результат, что на практике при активных воздействиях на облачные процессы приводит к значительным расходам бюджетных средств.

Предлагаемый способ в сравнении с существующими способами обеспечивает высокую точность измерения радиолокационной отражаемости облачной среды за счет когерентной обработки сигнала, позволяющей учесть влияние на точность результата содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

1. Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды, включающий радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от локальной исследуемой его области и отображение его на экране радара в виде огибающей с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R) и расстояния (R) до этой амплитуды на экране радара и определение по данным проведенных измерений максимальной дальности радара (R_max.1), на которой максимум огибающей отраженного сигнала достигает уровня минимального сигнала, представляющего уровень шума, и максимальной интенсивности сигнала (Z_max.1), отличающийся тем, что дополнительно определяют максимальную дальность радара (R_mах.2) путем когерентной обработки сигнала, причем когерентную обработку сигнала осуществляют путем имитации относительного перемещения на экране радара локальной исследуемой области по оси дальности, для чего в приемной аппаратуре радара вводят ступень затухания энергетического потенциала радара (ΔZ), имитируя таким образом перемещение локальной исследуемой области по оси дальности, затем на экране радара определяют проекцию огибающей эхо-сигнала на данную ось до перемещения исследуемой локальной области (ΔR₁) по оси дальности и после ее перемещения (ΔR₂), затем по отношению найденных величин (ΔR₁ и ΔR₂) находят максимальную дальность радара (R_mах.2) по формуле

где Z_max.1 - максимальная интенсивность сигнала, определяемая по формуле

R_e - единичное расстояние, равное 1 км,
затем определяют корректирующий множитель (К) как отношение величины R_max.1 к R_mах.2, и геометрический путь (R_mах.г), соответствующий максимальной дальности радара (R_max.1), по формуле
R_max.г=K·R_max.1,
после чего определяют радиолокационную отражаемость по формуле

где С_λ - постоянная радара.

2. Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды по п.1, отличающийся тем, что максимальную дальность радара (R_mах.1) определяют по формуле

3. Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды по п.1, отличающийся тем, что при определении проекции огибающей радарного эха на ось расстояний берется начальный участок огибающей эхо-сигнала, ограниченный максимумом амплитуды радарного эха (Z_R).