CC BY
72
УДК 523.682 (023)
1Чайковский В.М., 1Савватейкин Н. С.
хФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МЕТЕОРНЫЙ РАДИОЛОКАТОР
Введение
Верхние слои атмосферы Земли привлекают особое внимание современной метеорологии. Во-первых, из-за того, что они являются переходной областью между околоземным космическим пространством и атмосферой. Во-вторых, метеорологические явления в верхних слоях атмосферы тесно связаны с погодообразующими процессами, протекающими в нижних, приповерхностных слоях, непосредственно примыкающих к земной поверхности.
Исследования метеорологических явлений в верхних слоях атмосферы, кроме измерения давления и температуры, основываются на оценке силы ветра в данных слоях и направлении перемещения его атмосферных масс .
Метеорные тела, влетающие в атмосферу Земли, на высотах, порядка сотни километров, имеют скорость выше нескольких десятков километров в секунду [1].
Наличие такой скорости приводит к взаимодействию тела метеорита с верхними слоями атмосферы, в результате чего происходит его торможение и сильный нагрев. Причем характер этого взаимодействия в основном определяется массой и скоростью тела метеорита.
По мере проникновения последнего в более плотные слои атмосферы происходит резкий разогрев всего его тела до уровня температуры испарения, сопровождающегося ярким свечением. Появляющиеся при этом свободные электроны, порождаемые его атомами, сталкиваются с молекулами газа атмосферы и осуществляют их ионизацию. В результате чего образуется ионизованный метеорный след, от которого в следствии высокой в нем концентрации электронов, особенно хорошо отражаются радиоволны метрового диапазона [2] .
Из существующего широкого ряда различных способов наблюдения не только за фактом наличия метеорного следа, но и наблюдением за его перемещением, в силу основного, неоспоримого достоинства такого, как оперативность, хорошее развитие и практическое использование получил в настоящее время радиолокационный метод [3], известный как метод радиометеорного зондирования, ставшего одним из основных при оценке и прогнозировании метеорологических процессов, протекающих на высотах метеорной зоны.
Измерение, реализуемое метеорной РЛС (МРЛС), основано на облучении метеорного следа высокочастотным радиосигналом, который отражается от него в точке встречи с ним под прямым углом.
Под действием ветра метеорный след перемещается и расстояние, от места излучения зондирующего сигнала до точки, осуществляющей отражение, изменяется. Это приводит к возникновению допплеровского приращения частоты, вызывающего изменение фазы отраженного сигнала, пропорционального значению радиальной скорости перемещения атмосферных масс, т.е. скорости ветра.
Скорость перемещения метеорного следа будет определяться скоростью движения атмосферных масс, поэтому, оценив скорость перемещения метеорного следа, можно оценить скорость и направление ветра воздушных масс в верхних слоях атмосферы.
Наблюдение дрейфа метеорных следов при помощи радиолокатора позволяет оценить направление и скорость воздушных течений в зоне высот от 80 до 100 км, на которых проведение подобных измерений различными методами с использованием радиозондов становится неэффективным и практически невозможным.
Задача получения оперативной метеорологической информации о состоянии верхних слоев атмосферы к настоящему времени решается путем создания сети станций ракетного зондирования с использованием компактных и сравнительно недорогих метеорологических ракет. В силу того, что зондирование ракетами осуществляется с низкой периодичностью, достоверность получаемой при этом оценки значений параметров атмосферы на таких высотах будет незначительна из-за имеющихся существенных колебаний значений последних в течение суток, следовательно, ракетное зондирование будет осуществлять выборочно, эпизодически и следовательно сложно ожидать высокую достоверность подобных измерений.
Полностью заменить ракеты не представляется возможным, так как они позволяют оценить давление, плотность и температуру атмосферы, а также характер изменения концентрации электронов в единице объема атмосферы с изменением высоты.
Однако значение скорости ветра и его направление возможно получить только путем прямых измерений, основанных на использовании радиолокационных методов.
В метеорной радиолокации измерение скорости перемещения метеорного следа под влиянием ветра осуществляется на основе использования эффекта Допплера. Значение смещения частоты отражённого зондирующего сигнала относительно излученного значения частоты fo пропорциональна радиальной составляющей скорости дрейфа метеорного следа Vr, то есть проекции истинного вектора скорости
ветра
V
f
д
на направление распространения зондирования метеорной РЛС (рис. 1):
2Vrf0/ 1)
/ £ , где 1)
C - скорость света; f - допплеровское смещение частоты сигнала.
Получение однозначной оценки значений радиальных скоростей перемещения метеорного следа под влиянием ветра можно осуществить за счет оценки значения производной фазы доплеровских колебаний
йф(і)
, выделяемых в результате приращения фазы отражённого от метеорного следа зондирующего
dt
сигнала.
Наличие связи между радиальной составляющей скорости и истинным вектором скорости ветра поясняется рис. 1.
Направление зондирования ОМ определяется единичным вектором ТГ как: Г = I COS £ •
COS 0+7 COS £ • Sin 0 + Jr Sin £ , где Гk - орты по осям x, y, z соответственно; e, Q
- угол места и азимут центра области отражения.
Вектор истинного значения скорости ветра V, разложенный на меридиональную VN , зональную VE и вертикальную VZ составляющие, представляется как:
V = rVN + jVE + kVz = r|V| cos a • cos" + /|V| cos a • Sin" + fc|V| Sin a,
где а и в - угол места и азимут истинного вектора скорости перемещения следа.
Тогда радиальная составляющая скорости ветра может быть определена как скалярное произведение
Г и V:
Vr = Vr, (2)
Vr = Vм COS £ • COS0 + VE COS £ • Sin0 + Vz Sin £. (3)
Для определения истинного вектора V по данным, полученным метеорной РЛС, необходимо над (2) выполнить обратное преобразование:
V = /(Vr,r). (4)
Геометрическим местом решения этого уравнения является плоскость P, нормальная направлению зондирования МРЛС и проходящая на некотором расстоянии от точки отражения на метеорном следе.
В качестве основного метода измерения, повышающего достоверность получаемых оценок значения скорости ветра используется поисковый метод радиолокации метеорных следов, позволяющий резко повысить число регистраций.
Здесь при обнаружении метеорного отражения сканирование в заданной области прекращается и излучение ведётся в направлении обнаруженного следа метеора с повышенной частотой повторения зондирующих импульсов. После момента фиксации следа, с соответствующей регистрацией его координат, обзор пространства возобновляется.
В результате сравнительного анализа основных методов измерения скорости дрейфа метеорного следа под влиянием ветра, предлагается свое построение метеорной РЛС , функциональная схема которой приведена на Рис.2.
Рис. 2.
Данная МРЛС позволяет измерить следующие параметры: дальность и высоту до отражающей области метеорного следа, радиальную скорость перемещения метеорного следа и направление его перемещения.
Процесс измерения разбит на два этапа. На первом этапе определяется дальность и высота до отражающей области метеорного следа. Значение дальности получается с помощью импульсного радиодальномера ИРД, работающего по классическому методу измерения, с выхода которого кодовая последовательность, соответствующая дальности до отражающей области метеорного следа, поступает на сигнальный вход микроконтроллера МК. Работа ИРД и его схемотехническое построение аналогичны рассмотренному в [4], а процесс обработки сигнала с уменьшением влияния шумов в [5].
Далее, используя имеющуюся информацию о значении угла места отражающей области метеорного следа, соответствующую положению диаграммы направленности антенны, получаемой аналогично [4], совместно с информацией о дальности до данной области, получаемой с выхода ИРД и поступающие на МК,
выполняющего операцию, согласно следующего выражения $ = RsinO, где R - дальность до отражающей области метеорного следа; в - угол места: - получается информация о высоте отражающей области, поступающей на индикаторную панель устройства вывода.
Измерение угла места в рассматриваемой МРЛС предлагается осуществлять при помощи однооборотного абсолютного энкодера ARS60 [6] . Изменение угломестного положения диаграмм направленности антенной системы осуществляется при помощи антенных редукторов АР1, АР2 антенн А1 и А2. При этом требуется обязательное соблюдение условия синхронности и синфазности их движения по углу, последнее достигается применением синхронизатора поворота антенн СПА, с выхода энкодера которого на информационный вход МК подаётся кодовая последовательность, соответствующая значению угла места .
На втором этапе измерения определяется значение радиальной скорости дрейфа метеорного следа под влиянием ветра и направление его движения. Опыт исследований в области метеорной радиолокации, показывает, что измерение скорости дрейфа метеорного следа под влиянием ветра наиболее целесообразно осуществлять при помощи импульсно-когерентного метода [2] . При котором высокочастотные колебания излучаются в течение длительности зондирующего импульса, а в оставшуюся часть периода повторения они отсутствуют и опорные колебания (когерентные с излучаемыми), необходимые для выявления допплеровского приращения частоты принимаемых отраженных зондирующих импульсов, формируются отдельно [7,8]. Далее для нахождения значения допплеровского приращения частоты необходимо оценить изменение фазы высокочастотного заполнения отраженных зондирующих импульсов за период повторения. Последнее реализуется при помощи фазовых детекторов ФД1 и ФД2, которые осуществляют преобразование разности фаз двух колебаний одинаковой частоты в напряжение. Для этого в приемной части МРЛС имеется ФД1, на опорный вход которого поступает сигнал с частотой 11,1 МГц. Выбор значения частоты сигнала задающего генератора ЗГ, частоты сигнала гетеродина приемника Г, частоты опорного сигнала, ряда параметров аппаратуры основывается на результатах опыта многолетних исследований метеорной зоны атмосферы Земли, в частности, приведенных в [8,9] . Последний сигнал получается следующим образом: колебания задающего генератора ЗГ 6,15 МГц поступают на второй смеситель См2, на него же поступают колебания от гетеродина приемника Г 8 МГц. Сигнал разностной частоты 1,85 МГц подается на второй умножитель частоты Ум2, выходное напряжение которого уже будет с частотой 11,1 МГц, и в дальнейшем будет использоваться как опорное.
На сигнальный вход ФД1 поступает сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты УПЧ равный 11,1 МГц, но отличающийся на значение допплеровского приращения и имеющий соответствующее измене-
ние фазы: = vmnp COSO,^ [t - , где R
метеорного следа, C - скорость света.
дальность, Vr
радиальная скорость перемещения
усилитель БУ2, поступает на информационный вход МК, в котором после обработки по заранее заданному алгоритму преобразуется в значение радиальной скорости дрейфа метеорного следа под влиянием ветра, которое затем поступает на индикаторную панель устройства вывода.
Для определения направления перемещения метеорного следа применяется дополнительный фазовый детектор ФД2, на который опорный сигнал 11,1 МГц подается после предварительного сдвига в фазосдвигающей цепи ФСЦ на п/2: w=U n COSftOnt Ч- —) • Выходное напряжение приемника равно:
ми v и 2'
Тогда выходное напряжение ФД2 будет равно:
При смене направления перемещения метеорного следа на обратное, выходное напряжение ФД2 будет
Дополнительный сдвиг фазы опорного сигнала для ФД2 на п/2 позволяет однозначно определить направление движения метеорного следа под влиянием ветра. С выхода ФД2 сигнал через третий согласующий буферный усилитель БУ3 поступает на информационный вход МК, в котором преобразуется по предварительно заданному алгоритму в знак радиальной скорости дрейфа метеорного следа, перемещающегося под влиянием атмосферных масс. Далее этот знак отображается на индикаторной панели устройства вывода.
В заключении следует отметить, что рассмотренный подход построения МРЛС для измерения направления и скорости ветра на больших, порядка 80-100 км., высотах атмосферы могущий использоваться совместно с работой системы ракетного зондирования, позволяет значительно повысить достоверность и оперативность оценки направления и скорости ветра в верхних слоях атмосферы, причем круглосуточно, что несомненно способствует повышению достоверности всех видов метеопрогнозов.
1. Фиалко Е.И. Некоторые проблемы радиолокации метеоров. Издательство Томского университета, Томск, 1981 г.
2. Кащеев Б.Л., Лебединец В.Н., Лагутин М.Ф.. Метеорные явления в атмосфере Земли. Издательсто «Наука», Москва, 1997 г.
3. Кащеев Б.Л., Лебединец В.Н. Радиолокационные исследования метеорных явлений. Издательство АН СССР, Москва 1985 г.
4. Бокарев В.Н., Чайковский В.М. Система измерения высоты орбиты космического аппарата, "На-
дежность и качество", Пенза, 2011 год.
5. Якимов А.Н., Лебедев В.Б. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе. Научный журнал Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. №1, 2012 г.
6. Портал http://www.sensorica.ru/s5-2.shtml
7. Костылев К.В. Аппаратура астрономической обсерватории им. Энгельгардта для радиолокационных наблюдений метеоров с автоматической регистрацией. Астрономический журнал, 1980 г.
8. Кащеев Б.Л., Дудник Б.С., Лагутин М.Ф., Лысенко И.А. Аппаратура для радиолокационных наблюдений метеоров. Издательство Харьковского университета, 1987 г.
9. Davies J.G., Ellyett C.D. The measurement of meteor velocities. Phil. Mag., 1995.
иметь вид
Заключение
ЛИТЕРАТУРА
