Пассивно-активная радиометеорологическая система с повышенной чувствительностью пассивного канала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиолокационные системы

УДК 551.501.7+621.396.96

Пассивно-активная радиометеорологическая система с повышенной чувствительностью пассивного канала

Булкин В.В.

Рассмотрена пассивно-активная радиометеорологическая система с несимметричной модуляции в пассивном канале. Обеспечивается повышение чувствительно пассивного канала. Решена проблема электромагнитной совместимости каналов.

Ключевые слова: пассивно-активный метеорадиолокатор, радиометр, чувствительность, частотная селекция.

Введение

Большинство сформировавшихся к настоящему времени методов дистанционного наблюдения атмосферы основаны на использовании радиотехнических принципов локации, и потому объединяются общим названием «радиометеорология». В целом уже ставшие классическими и получившие широкое распространение в практике метеорологических служб и научных исследованиях дистанционные радиометеорологические локационные системы можно разделить на два основных вида: активные и пассивные.

Известно, что пассивная метеорадиолокация (радиометрия) главным своим недостатком имеет отсутствие возможности локализации метеообъектов, обеспечивающих наиболее существенный вклад в регистрируемое значение радиояркостной температуры. Активная метеорологическая радиолокация при определении характеристик облаков и осадков имеет существенные трудности в получении однозначных связей между радиолокационной отражаемостью 2 и водностью облаков и осадков, что обусловлено в основном сильной зависимостью 2 от С (сС - диаметр капель). Практически это означает, что относительно незначительное количество капель большого размера обеспечивает существенно больший вклад в 2, чем значительно большее количество капель малого

размера, вносящих основной вклад в водоза-пас облаков. Имеются и другие трудности, связанные с изменчивостью функции распределения частиц по размерам и с распределением скоростей падения капель.

Пассивно-активные метеорадиолокационные системы

Данные неоднозначности привели к появлению пассивно-активного радиолокационного метода определения характеристик влагосо-держания облаков и осадков (водозапас облаков и осадков, средняя водность, мгновенная интенсивность осадков) [1,2]. В соответствии с этим методом среднюю водность облака ^(I) вдоль направления зондирования определяют по соотношению

где Ж(I) - водозапас облака вдоль направления визирования, определяемый с помощью пассивного канала (радиометра); Ь(!) -протяжённость зондируемой зоны облака (дождя), определяемая с помощью активного канала (радиолокатора).

Реализация данного принципа требует применения для контроля окружающей среды двух радиолокационных систем (каналов получения информации): пассивной (радиометрической) и активной (радиолокацион-

ной), что ставит задачу решения проблемы совместного их применения.

Принципиальная возможность создания совмещенной пассивно-активной РЛС (ПАРЛС) без конкретизации ее структуры была показана в [3]. Реализация совмещения пассивного и активного каналов измерения может быть осуществлена различными путями [4, 5]:

а) раздельное построение пассивного и активного каналов с взаимной синхронизацией;

б) совмещённое построение пассивного и активного каналов с взаимной синхронизацией;

в) совмещённое построение пассивного и активного каналов, сопряжённых с общей антенной и работающих практически одновременно.

Третий из указанных вариантов можно признать наиболее продуктивным с точки зрения задач, решаемых при создании ПАРЛС. В этом случае переключение антенны к активному или пассивному каналам осуществляется переключателем (модулятором) в пределах периода модуляции зондирующих импульсов. При этом автоматически гарантируется одинаковая направленность и синхронность наблюдений в пространстве. Несомненность достоинства подобного построения очевидна: упрощается система в целом, облегчается ее обслуживание, автоматически согласуются способы обзора и пространственной привязки результатов наблюдений и т.п.

Разумеется, есть и некоторые сложности. Совмещение в единой системе активного и пассивного локаторов ставит вопрос о необходимости обеспечения электромагнитной совместимости каналов. Задача осложняется тем, что наличествуют две тенденции: во-первых, есть потребностью увеличить потенциал радиолокатора, а во-вторых, есть стремление повысить чувствительность радиометрического приёмника. В результате возникает необходимость обеспечения защи-

ты каждого из каналов от влияния другого канала. Высокая чувствительность радиометра и значительная излучаемая мощность передатчика приводят к появлению дополнительного мешающего фактора, определяемого влиянием мощного зондирующего импульса передатчика на работу приёмника пассивного канала (ПК) и влиянием гетеродина радиометра на работу приёмника активного канала (АК). При работе каналов на одной длине волны (а это одна из особенностей ПАРЛС), радиопомеха, создаваемая локатором радиометру, обусловлена, в значительной степени, просачиванием зондирующего импульса РЛС на его вход.

Традиционно пассивный канал ПАРЛС представляет собой радиометрический приёмник модуляционного типа. Основной характеристикой радиометра является чувствительность, определяющая минимально обна-ружимое приращение антенной температуры, при котором среднее значение изменения выходного сигнала равно действующему значению его флюктуации

Та + Т

ST = ц-

(2)

л/А/Г'

где 3Т - чувствительность; и - коэффициент, зависящий от схемного построения радиометра; Та - антенная температура; Т0 -шумовая температура радиометра; - полоса пропускания приёмника; т - постоянная времени интегрирования радиометра.

Поскольку в случае модуляционного радиометра сигнал с антенны поступает на вход приёмника только в течение полупериода модуляции, коэффициент и = 2, что определяет реальное ухудшение чувствительности в сравнении, например, с компенсационным типом.

Вместе с тем модуляционный радиометр получил широкое распространение благодаря значительному снижению влияния нестабильности коэффициента усиления приёмной части на результаты измерений. Компенсирование влияния нестабильности коэффици-

ента усиления происходит за счёт того, что антенна и источник эталонного (опорного) сигнала последовательно подключаются к входу приёмника на равные промежутки времени в течение всего времени измерения и возможные изменения усиления взаимоисключаются при сравнении антенной Та и шумовой (опорной) Т0 температур.

В докладе рассмотрены особенности построения пассивно-активных радиометеорологических систем некогерентного типа, обеспечивающих практически двукратное повышение чувствительности радиометра при решении задачи обеспечения электромагнитной совместимости каналов.

Повышение чувствительности пассивного канала

Одним из путей повышения чувствительности модуляционного приёмника является увеличение длительности времени тй измерения антенного сигнала в пределах одного цикла измерения, то есть получение соотношения тй >> т0, где т0 - длительность измерения опорного сигнала.

Поскольку построение ПАРЛС подразумевает синхронизацию работы каналов в течении всего периода зондирования Т, представляется целесообразным период измерения Та и Т0 принять равным именно этому периоду. В этом случае возможен и выбор т0 = ти, где ти - длительность зондирующего

сигнала, а тд = Т - т0.

Конкретное решение совмещённой ПАРЛС возможно при использовании принципа оценочно-компенсационной обработки сигналов, основу которой составляет использование части энергии зондирующего импульса, просачивающегося через антенный переключатель в момент излучения [6,7]. Структурная схема показана на рис. 1.

При работе ПАРЛС внутри комплекса возникает неинформативный (мешающий) фактор: часть энергии зондирующего им-

пульса, не смотря на принимаемые меры обеспечения развязки каналов, всё же просачивается на вход приёмников обоих каналов. По уровню мощности этот сигнал сравним с принимаемым пассивным каналом шумовым излучением, и оказывает воздействие на точность измерений. При ослаблении просачивающегося сигнала в строго определённое число раз его можно использовать в качестве основы для оценочно-компенсационной обработки получаемой информации.

В момент излучения к гетеродинному входу смесителя ПК подключается источник эталонного шума, т.е. данный вход на время ти получает функции сигнального входа, а просочившийся паразитный сигнал поступает на сигнальный вход и на то же время выполняет функции гетеродинного, в результате чего и осуществляется преобразование сигнала. Таким образом, в пассивном канале подключение к источнику шума происходит в течение времени, равном длительности импульса зондирования т0 =ти . Одновременно, в активном канале происходит оценка уровня мощности просочившегося сигнала с целью последующего использования его при обработке эхо-сигнала.

Поскольку тй = Т - т0, то за время одного цикла измерения антенный сигнал будет поступать на вход приёмника в течение времени тй = дТ, а опорный - тй = (1 - д)Т, где д выбирается из условия 0,5 < д < 1.

Однако неравенство длительностей тй и т0 неизбежно приводит к ошибке при сравнении сигналов, тем большей, чем больше величина д. Таким образом, время измерения опорного сигнала также должно быть увеличено до значения тй = N(1 - д)Т , где N = та/ти . Это возможно, если осреднение опорного сигнала провести не по одному, а по N импульсам.

Реализация данного условия достигается следующим образом. Постоянная времени интегратора выбирается такой, чтобы при

Рис. 1.

известной величине Т обеспечить осреднение N импульсов длительностью ти. После осреднения N значений Т0 можно считать, что

сравнение осуществляется с достаточной точностью.

Возвращаясь к формуле чувствительности радиометра (2) можем отметить, что коэффициент /Л может быть оценен через величину q:

- T - T -1

т. qT q'

(3)

При увеличении тй до значения тй «Т можно достичь значения / «1, что соответствует увеличению реальной чувствительности радиометра почти в два раза. Значение q может быть определено из соотношения qT = N(1 - q)Т , то есть q = N1 (N +1). Очевидно, что уменьшение величины q и соответствующее уменьшение qT приводит к возрастанию /, то есть к снижению реальной чувствительности.

С целью обеспечения дополнительной развязки каналов может быть использован принцип введения частотной селекции каналов, в соответствии с которым развязка между каналами будет дополнительно обеспечиваться усилителями промежуточной частоты со специальными характеристиками.

Центральная частота и полоса пропускания УПЧ обоих каналов выбираются из следующих соотношений. Для усилителя активного канала центральной частотой является

частота /а, а полоса пропускания А/а должна удовлетворять условию А/а « Итё (рис. 2).

Рис. 2.

Для усилителя пассивного канала центральная частота /п и полоса пропускания А/п выбираются из условия

Л -f)» f. + /2

(4)

Предложенная методика позволяет оптимизировать схему ПАРЛС, поскольку обеспечивает сопряжение радиометра с любым серийным радиолокатором.

Заключение

Круг задач, решаемых посредством совмещённых пассивно-активных радиолокационных систем, достаточно широк, что позволяет получать информацию о водозапасе и водности облаков на различных стадиях их развития, а также обнаруживать опасные явления погоды, связанные с облаками (гроза, град, ливень). Возможности ПАРЛС осуществлять измерение интегральных параметров позволяют говорить о реальности повышения

точности и достоверности получаемой метеорологической информации и, как следствие, о возможности их использования для сверхкраткосрочных прогнозов различных опасных явлений. В силу перечисленного решение задачи повышения чувствительности пассивного канала позволит обеспечить повышение точности метеорологического прогноза.

Численная оценка эффективности функционирования пассивного канала, построенного по изложенному принципу, может быть получена после набора статистической информации в результате серии экспериментов.

Литература

1. Щукин Г.Г. Дистанционное определение влаго- и водозапаса атмосферы на основе применения методов пассивной и пассивно-активной радиолокации: Дисс... докт. техн. наук. - Л.: 1985. -568 с.

2. Щукин Г.Г., Бобылёв Л.П., Ильин Я.К. Комплексное активно-пассивное радиолокационное зондирование облачности // Труды ГГО -1978. - Вып. 411. - С.3-12.

Поступила 10 марта 2011 г.

3. Горностаев Н.В, Новосёлов А.И., Щукин Г.Г. и др. Активно - пассивная радиолокационная станция для исследования атмосферы // Труды ГГО. - 1975. - Вып. 328 -С. 120-124.

4. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылёв Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплокация в метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 283 с.

5. Щукин Г.Г., Булкин В.В. Метеорологические пассивно-активные радиолокационные системы: Монография. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2009. - 166 с.

6. Никитина О.С., Николаева С.В., Булкин В.В., Щукин Г.Г. Метод относительной калибровки метеорадиолокаторов с точки зрения современных положений метрологии // Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами: Сб. докладов второй Всерос. научн. конф. (СПб., 16-18 июня 2004). Т.3. - СПб.: 2004. - С. 37-41.

7. Николаева С.В., Никитина О.С., Булкин В. В. и др. Анализ основных методов калибровки метеорадиолокаторов с точки зрения современных положений метрологии // Методы и устройства передачи и обработки информации. - 2004. -Вып.4. -С.Пб.: Гидрометеоиздат. - С. 158-163.

Passive-active meteorological radar is considered with asymmetrical inflexion in passive channel. Increasing of the sensitive passive channel is provided. The solved problem to electromagnetic compatibility channel.

Key words: passive-active meteorological radar, passive radar, sensitivity, frequency breeding.

Булкин Владислав Венедиктович - доктор технических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности Муромского института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». E-mail: vvbulkin@mail.ru.