Применение миллиметровой доплеровской радиолокации (НДР) для повышения безопасности полётов авиации в районе аэропорта Текст научной статьи по специальности «Физика»

2006

НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника

№ 107

УДК 621.396

Применение миллиметровой доплеровской радиолокации (НДР) для повышения безопасности полётов авиации в районе аэропорта

А.Г. ГОРЕЛИК, К.Г. ЧИСТОВСКИЙ

В статье обсуждается возможность применения относительно простых доплеровских радиолокаторов, работающих в непрерывном режиме и излучающих монохроматическое излучение, для повышения безопасности воздушного движения в работе аэропортов. Показана возможность оперативного одновременного определения ветрового поля на различных высотах в приземном слое атмосферы и его составляющих вдоль и поперёк взлётно-посадочной полосы. Решение базируется на методах доплеровской томографии и подтверждается результатами совместных измерений ветра в приземном слое при помощи традиционной оперативной системы радиозондирования и малогабаритного 8 миллиметрового доплеровского комплекса, включающего в себя непрерывный радиолокатор и ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением.

Повышение безопасности полётов авиации при взлёте и посадке требует непрерывной оперативной информации о динамическом состоянии атмосферы, включая данные о скорости и направлении ветра на разных высотах.

Особенно важна такая информация для приземного слоя, т.е. от поверхности земли до высоты 1000 - 1500 метров в наиболее сложных погодных условиях, сопровождающихся выпадением осадков, дождя или снега, а также при грозах, для которых характерно кратковременное усиление ветра и изменение его направления.

Именно в сложных метеоусловиях происходит изменение ветрового поля, появляются его значительные вертикальные сдвиги. Обнаружить их, используя традиционные методы ветровых измерений, применительно к оперативной аэродромной службе, практически невозможно. Поэтому целесообразно внедрить в диспетчерскую аэродромную службу обслуживания авиации новейшие достижения в области методов ветровых измерений, базирующихся на использовании мобильных, малогабаритных непрерывных доплеровских систем (НДР) миллиметрового диапазона.

При использовании НДР источником информации о ветре является отражённый сигнал от различного рода неоднородностей: капель, снежинок, крупнодисперсной аэрозоли и т.д., хорошо увлекаемых воздушным потоком. Облучение миллиметровым излучением таких двигающихся неоднородностей приводит к изменению фазовых соотношений в отражённом сигнале, а, следовательно, и частоты отражённого от них излучения относительно падающего (эффект Допплера).

Методы, основы которых изложены в [1, 2], позволили связать спектр отражённого сигнала, полученного при помощи НДР, с движением рассеивателей на трассе распространения электромагнитного излучения. В [3] показано, что при использовании информации об изменении формы спектров рассеянного поля, полученных при различных направлениях методами доплеровской томографии возможно “восстановление” вертикального профиля ветра в атмосфере.

Внедрение в оперативную практику ветровых измерений методов доплеровской томографии для “восстановления” профиля ветра (скорости и направления на различных высотах) стало возможным благодаря достижениям, достигнутым в области микроэлектроники и вычислительной технике. В [5, 6] описан аппаратурный комплекс, который предназначен для решения задач “восстановления” ветрового поля в приземном слое атмосферы.

В данной работе показана возможность адаптации НДР-комплекса миллиметрового диапазона для решения задач, связанных с повышением безопасности полётов авиации за счёт оперативного получения информации о составляющих ветра на различных высотах в продольной и поперечной плоскостях взлётно-посадочной полосы.

Блок-схема НДР-комплекса представлена на рис. 1.

1 35,1 ГГц О 35 Д ГГц 3 36,7 ГГц Д 36,7 ГГц 5

90 мВт 32 мВт 5 мВт “4 2 мВт 1 1

32 мВт

Рис. 1. Блок-схема НДР-комплекса (П1 = П0 ■ ео8(2п¥дґ) и П2 = П0 ■ ео8(2п¥дґ + р/ 2)):

1 — миллиметровый задающий генератор, Г1 — местный гетеродин, 2 — ответвитель, 3 — преобразователь вверх — конвертер, 4 — полосно-пропускающий фильтр на частоту/=36,7 ГГц, 5 — высокочастотный усилитель мощности 8 миллиметрового диапазона/о=36,7 ГГц, 6 — дециметровый генератор Г3 — когерентный гетеродин 1,6 ГГц, 7 — смеситель, 8 — усилитель и фазовый детектор, 9 — вентиль, 10 — АЦП + ПЭВМ, 11 —

излучаемая антенна, 12 — приёмная антенна

Представленная на рис. 1 схема построения НДР-комплекса обеспечивает определение не только величины РД, но и знака изменения относительно частоты, на которой работает радиолокатор.

На рис. 2 представлена предполагаемая схема установки данной системы на взлётном поле. Для того, чтобы упростить систему предлагается установить две неподвижные антенные системы: одна поперёк взлётно-посадочной полосы, другая - вдоль. Антенны устанавливаются под углом (5 к горизонту. Значение (5 выбирается исходя из требований диспетчерской службы. Известно, что проекцию скорости ветра на направление зондирования можно определить, воспользовавшись соотношением:

V (Н аа ¡) = -

№д (Н ,а0,а3 ,р)

2

= VВ (Н) ■ Єо^_аз - а0 (Н)] ■ Єо8@ + V, (Н) ■ БтР,

(1)

где Ув(Н), ссо(И) - соответственно скорость и направление ветра; Уг(Н) - скорость гравитационного падения отражателей; а и ¡5 - направление зондирования в азимутальной и угломестной плоскостях; 1 - рабочая длина волны; ¥д(Н) - величина доплеровского сдвига частоты от рассеивателей, находящихся на высоте Н.

Из (1) следует то, что при изменении с высотой скорости ветра, а также при изменении

направления зондирования изменяется величина ~^д (И).

Мгновенное значение рассеянного поля, поступившее на приёмную антенну от совокупности рассеивателей при облучении их монохроматическим излучением, можно представить в виде суперпозиции полей, пришедших от отдельных двигающихся рассеивателей с учётом фазовых соотношений, которые изменяются во времени, т.е.:

N

Е (ґ)=2 а ■ СоАщ>Ґ - а(ґ)].

(2)

В [1] показано, что спектр рассеянного поля в масштабе ~Рд повторяет по форме

распределение проекций скоростей рассеивателей на направление зондирование с учётом вклада, который вносит каждый рассеиватель в отражённый сигнал. Таким образом:

8(1 Рд ) » РИ'). (3)

г=1

Взлётнопосадочная полоса

Направление зондирования вдоль

по лосы

Рис. 2 Схема установки НДР-комплекса на взлётно-посадочной полосе

Из соотношения (3) следует, что вклад в суммарный сигнал от рассеивателей, имеющих одну и ту же отражаемость, будет различен в зависимости от того, на каком удалении от радиолокатора находится рассеиватель. Известно, что если облучается одиночный рассеиватель, то мощность поступившего от него сигнала убывает с ростом расстояния L, как 1/L4. Если же рассеиватели полностью заполняют сечение луча (множественная цель), то суммарная мощность убывает как 1/L2. Это и является одним из положений, которое

заложено в схему “привязки” радиолокационных измерений g(1Fp) к высоте, с которой

приходит сигнал, с проекцией скорости ветра в пределах V±DV.

При малых фиксированных углах ß для выбранной высоты Н зависимость Fp(a3) имеет вид представленный на рис. 3, а. Если зафиксировать угол a3 и Н (например, антенну направить по или против ветра) и изменить угол ß, то Fp(ß) в зависимости от Vz, а точнее соотношения VB/Vz будет иметь вид представленный на рис. 3, б. Обратим внимание на влияние вертикальной составляющей скорости движения рассеивателей на вид кривых Fp(a3) и Fp(ß). Наличие вертикальной составляющей скорости (ß Ф 0) приводит к тому, что Л

при a3~a0 (— Fr) ф VBCosß; а Fp = 0, не при a3=a0±n/2. В этом случае аЗ зависит от величины

V

и знака VB, Vz и угла места ß: аз = arccos-2—.

VBCtgß

Для НДР сигнал радиоэхо одновременно приходит с разных высот, но вклад сигналов пришедших с больших высот при облучении радиолокатором множественной цели, как было

отмечено выше, убывает как 1/L2 или ^ j

Соотношение (3) можно представить в развёрнутом виде:

lmax - ja(L)dL

g(\fm ) = p(V,L,a0,a3,ß)dVdL =^WG(L)^2 0----------ri(Sinß,a3)S[V-V(LSinß,a3,ß)]dVdL, (4)

где П - параметр, который зависти не только от потенциала НДР, но и определяется антенной системой; О(Ь) - характеризует особенности распределения энергии в раскрыве антенны; ^ -эффективная рассеивающая способность объёма цели, находящийся на высоте Н = Ь8т0; О -телесный угол, зависящий от диаграммы направленности антенной системы; а(Ь) -характеризует изменение коэффициента ослабления на трассе распространения миллиметрового излучения.

Соотношение (1) можно привести к виду:

У(Н■■ , а.¡) = (Н) \Со$(а -а )с(а0+ 1 (5)

V,(Н)Япр V\(Н)[ (“’ а°)с'2р+(5)

Соотношение (4) справедливо для диапазона высот Нтп<Н<Нтах. Уравнения (1), (4) и (5) являются исходными для выполнения расчётов, которые обеспечивают определение профиля ветра.

Для того чтобы Уг можно было не учитывать в расчётах, а ввести фиксированную поправку необходимо угол места ¡3 уменьшить до 6-9°. Однако, при этом уменьшается высота зондирования. Уменьшение высоты зондирования связано с тем, что приходится учитывать эффекты, связанные с нелинейностью приёмного тракта НДР и ослаблением на трассе. Суммарную величину сигнала, полученного в результате каждого отдельного измерения можно определить, воспользовавшись соотношением:

+^МАХ / 1 \

Р = I (У,ао.Да„Ь)р. (6)

FМАХ

-|-22(Ь)О(Ь) I = 0. (8)

Привязка к высоте осуществляется по методике, изложенной в [4]. Для того, чтобы определить значение g(^Fд), соответствующее начальной точке в отсчёте дальности Ьщщ воспользуемся соотношением (4):

1МА[Х

(лF ) а П - .ь)аь

%^1 = ТьТс(Ь)•е 0 . (7)

4 ' ЬМЫ

Пренебрегая поглощением в среде (что справедливо для малых удалений) определим Ьтп:

-(П '

аь у ь

Если поле отражаемости 2 не зависит от Ь, то О(Ь) определяется параметром двухантенной системы, которая зависит от размеров каждой из антенн Ба, расстояния между ними и точности их юстировки. Считаем, что суммарная диаграмма приёмной и передающей

антенн полностью пересекаются в волновой зоне, т.е. волновой параметр рв =------->> 1.

^ а

Для ближней зоны рв <1 определение О(Ь) выполнить достаточно сложно. Можно пойти по одному из двух путей, а именно провести геометрический расчёт, определить область начала пересечения диаграмм, а затем провести корректировку расчёта, опираясь на экспериментальные данные. Другой путь заключается в экспериментальном определении вида функции О(Ь) в области малых значений Ь » Ьтп. Причём цель должна быть множественной, а рассеиватели должны полностью заполнить зону пересечения диаграмм приёмной и передающей антенн.

Провести такой эксперимент достаточно сложно и поэтому на первом этапе можно использовать эталонную цель, например, качающуюся сферу. ЭПР (о) сферы заранее известна, а удаление до неё в ходе эксперимента меняется контролируемо. Такие измерения были выполнены в [8].

Результаты расчётов показали, что для двухантенной системы, диаметр антенн которых

составляют 0,5 м, а расстояние между их центрами - 0,6 м, Lmin для Л = 0,86 см должно находится в пределах 15-20 метрах и должно быть уточнено в процессе проведения полевых испытаний НДР-комплекса. Один из разработанных методов заключается в том, что одновременно проводятся измерения ветра на некоторой фиксированной высоте Н при помощи традиционного анемометрического датчика и НДР-комплекса. Желательно, чтобы анемометрический датчик и НДР-комплекс находились на одной прямой, совпадающей с направлением ветра.

Фотография 8 миллиметрового НДР-комплекса во время проведения его испытаний совместно с АВК на территории Центральной аэрологической обсерватории в г. Долгопрудный представлена на рис. 3, а.

Одной из целей испытаний было определение степени соответствия данных о профиле ветра, полученного в различных направлениях зондирования при помощи НДР и традиционной радиозондовой системы АВК. Выбранные направления зондирования для НДР представлены на рис. 3, б.

Рис.3. НДР-комплекс:

а - фотография НДР-комплекса при проведении натурных испытаний; б - схема направлений зондирования при

проведении ветровых измерений Данные о вертикальном профиле ветра, полученные при помощи радиозондирования, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Профиль ветра за 01.07.2005, полученный при помощи радиозондирования

Обратим внимание на значительное изменение ветра в нижней части приземного слоя и составляет в двухсотметровом слое почти 60°, скорость ветра же при этом изменяется от 2 до 10 м/с. На больших высотах скорость ветра возрастала до 15 м/с, сохраняя при этом своё направление (поворот ветра менее, чем на 15° в километровом слое).

На рис. 5 приведены графические зависимости (“восьмёрки”) проекции скорости движения рассеивателей от угла зондирования в азимутальной плоскости. Зависимости приведены для трёх высот: Н] = 200 м, Н2 = 500 ми Н3 = 800 м с учётом скорости гравитационного падения частиц ¥г. Значение ¥г можно определить и экспериментально, воспользовавшись уравнением (1) и данными измерений, выполненных последовательно по и против ветра ¥г принималось равным 5 м/с.

Диаметр большой окружности (А) соответствует наибольшему значению проекции скорости ветра на данном направлении зондирования на высотах 200, 500 и 800 метров над уровнем земли. Малая окружность (Б) позволяет определить вклад гравитации в величину 1

~Рд (а3) при фиксированном угле места /3.

Н = 200 - 220 м

Рис.5. Графические зависимости проекции скорости движения рассеивателей от угла зондирования

Проведём сопоставление и краткий анализ данных, полученных одновременно двумя различными методами измерения ветра на различных высотах.

Обратим внимание на то, что для диапазона высот 200 - 800 м данные о ветре не расходятся более чем на 1-2,5 м/с по скорости и на 5-10 градусов по направлению. Такие расхождения следует признать вполне приемлемыми, так традиционная оперативная система радиозондирования может давать погрешность именно при измерении профиля ветра на малых высотах. Иногда такие данные о ветре могут вообще отсутствовать. Это связано с тем, что не во всех случаях удаётся обеспечить требуемую точность определения угловых координат при помощи существующей оперативной радиозондовой системы.

Сопоставление значений проекций скоростей, полученные при различных направлениях зондирования при помощи радиозонда и НДР позволило обосновать справедливость сделанных в начале работы предположений о возможности использования НДР-комплекса для дистанционного определения и непрерывного контроля ветровых составляющих над взлётно-посадочной полосой в наиболее сложных погодных условиях.

Обратим внимание на то, что измерения проводились в сложных погодных условиях при выпадении неоднородных осадков (дождя). Радиолокационная отражаемость изменялась за короткие промежутки времени более чем на три порядка, а превышение его над уровнем шумов могло достигать 6 - 7 порядков.

Вместе с тем именно в ходе этих экспериментов удалось определить диапазон, в котором изменяется спектральная мощность различных компонент в доплеровском спектре, которые могут быть надёжно интерпретированы. Показано, что линейный участок приёмника НДР

составляет 40-45 дБ, что ограничивает высоту зондирования. При высоком уровне отражённого сигнала, например, когда спектральная мощность сигнала на 6-7 порядков превышает спектральную мощность шумов из-за нелинейности приёмного тракта в высокочастотной части спектра появляются “ложные частоты”. Появление таких “ложных частот” в спектре отражённого сигнала было доказано при совместном анализе и сопоставлении данных ветровых измерений в ходе выполнения экспериментов, а также анализируя сами спектры, полученные при различных уровнях сигналов, соответствующих различным частотам. Отметим, что аналогичные выводы можно было сделать, проведя анализ испытаний НДР-комплекса в лабораторных условиях.

Рис. 6. Сопоставление данных о ветре, полученные при помощи НДР-комплекса и радиозондирования

На рис. 6 приведены значения проекций скорости ветра на различные направления зондирования аз, базирующиеся на результатах радиозондирования (ось абсцисс). По оси ординат отложены данные о скорости ветра, полученные при помощи НДР-комплекса, которые были “привязаны” к высоте по методике, приведённой в данной работе. Измерения 1

g(— ГД (аз)) проводились неоднократно при различных аз при фиксированном значении

1

угла места р = 24°. При анализе учитывался вклад ¥гБіпр в ~^д(аз).

Анализ данных, приведённых на рис. 5 и рис. 6 явно указывает на то, что ориентирование антенной системы по ветру или против, при ветровом зондировании, расхождение данных измерений проекций скоростей на направление зондирования находится в допустимых пределах. А при направлениях зондирования, перпендикулярных движению воздушных масс расхождение увеличивается. По нашим данным, при использовании данных радиозондирования приземный ветер на высоте до 200 м не был соответствующим образом обработан. В результате был зафиксирован поворот ветра почти на 60°.

Проведение испытаний НДР-комплекса совместно с системой радиозондовой системой показали, что после внесения ряда несущественных изменений в схему и методику измерений НДР-комплекс может быть адаптирован для целей, поставленных в рамках данной работы, т.е. обеспечить аэродромную службу надёжной оперативной информацией о ветре в районе взлётно-посадочной полосы.

ЛИТЕРАТУРА

1.Горелик А.Г., Мельничук Ю.В. О связи спектра флюктуаций радиолокационного сигнала с движением рассеивателей в метеообъектах. // ДАН СССР, Т. 140, № 3, 1961.

2.Горелик А.Г., Мельничук Ю.В., Черников А. А. Связь статистических характеристик радиолокационного сигнала с динамическими процессами и микроструктурой метеообъектов. // Труды ЦАО, вып. 48.

3.Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Использование систем с непрерывным излучением для определения ветра в осадках. // Известия АН СССР ФАО, № 7, 1984.

4.Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Доплеровская томография в метеообразовании. // Известия АН СССР ФАО.

5.Князев А.В. Радиофизические исследования атмосферы с помощью радиолокаторов с непрерывным излучением. Диссертация докт. ф.-м. наук. М. 1987.

6.Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г. Восстановление профиля ветра в атмосфере методом доплеровской томографии. // Сборник трудов молодых учёных МГАПИ, 2002.

7.Глущенко А.С., Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г. Применение малогабаритного непрерывного доплеровского радиолокатора для распознавания образов. // Сборник трудов молодых учёных МГАПИ, 2003.

8.Чистовский К.Г. Результаты сравнительных натурных испытаний импульсно-когерентной и непрерывной доплеровской РЛС. // Сборник трудов молодых учёных и специалистов МГАПИ, 2003.

A.G. Gorelik, K.G. Chistovsky

The use Doppler radar systems to improve air traffic safety in airport runway environment.

Using small and simple Doppler radars, working without modulation in continues mode for obtaining wind profile is discussed in the article. The radars, is shown, may to be used for a wind field detection ft different altitudes before some hundred meters. Data processing for the suggested measurement scheme is based on Doppler tomography principles. Results of radioronde - radar experiments justificatory the measurement scheme and radar parameters are suggested in the article.

Сведения об авторах

Горелик Андрей Габриэлович, 1931 г.р., окончил Горьковский государственный университет (1954), доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией ФГУП “Зонд-поставка”, автор более 150 научных работ, область научных интересов - дистанционное зондирование атмосферы методами пассивной и активной радиолокации, оптическое приборостроение и обработка сложных сигналов.

Чистовский Константин Геннадьевич, 1980 г.р., окончил МГАПИ (2000), главный специалист МФ ОАО “РАДИОЗАВОД”, автор 6 научных работ, область научных интересов - радиолокация и радиолокационная метеорология.