CC BY
10Электродинамика и антенные системы
УДК 621.396.67
Результаты зондирования облачной атмосферы вблизи радиогоризонта двухканальной СВЧ радиотеплолокационной системой
Федосеева Е.В., Ростокин И.Н., Ростокина Е.А. Аннотация: Анализируются результаты измерения угловой зависимости радиояркостной температуры однородной облачной атмосферы вблизи направления на радиогоризонт СВЧ радиотеплолокационной системой. Оценивается эффективность компенсации фонового шума двухканальной СВЧ радиотеплолокационной системой.
Ключевые слова: радиояркостная температура облачной атмосферы, фоновое радиошумовое излучение, угловая область вблизи радиогоризонта, двухканальная СВЧ радиотеплолокаци-онная система.
Введение
Дистанционное зондирование атмосферы позволяет получать оперативную информацию о процессах, происходящих в ней, и выполнять прогнозы сценариев развития метеорологической обстановки, что приобретает большое значение в условиях глобальных климатических изменений в атмосфере Земли. Радиотеплолокацион-ные измерения дают возможность оценить водозапас, построить высотные профили температуры и измерить скорости движения слоев атмосферы. Выполнение измерений в широком угловом секторе позволяет построить более точные и долговременные прогнозы динамики развития метеорологических явлений [1-2].
Проведение радиотеплолокационных измерений в угловом секторе вблизи направления радиогоризонта связано с необходимостью решения задачи компенсации помеховой составляющей входного сигнала, обусловленного приемом фонового радиошумового излучения окружающего пространства через область рассеяния диаграммы направленности (ДН) антенны, величина которой сильно зави-
сит от углового направления зондирования [1]. Поэтому в данном случае необходимо предусмотреть возможность исключения указанной помеховой составляющей входного сигнала. Одним из способов предусматривает формирование сигнала компенсации в дополнительном канале СВЧ радиотеплолокационной системы, например, при формировании дополнительной ДН на апертуре антенны при реализации противофазного распределения поля [3-6].
Угловая зависимость радиояркостной температуры однородной атмосферы
Радиояркостная температура атмосферы в общем случае определяется выражением
Татм =} Те-Чт , (1)
О
где Т - температура атмосферы в точке, находящейся на расстоянии г от антенны в направлении наблюдения; т = | %dr - оптическая толщина атмосферы; % - коэффициент поглощения атмосферы.
В случае однородной атмосферы угловая зависимость радиояркостной температуры в диапазоне углов от 5° до 90° со-
гласно [1] может быть задана следующим образом
Т„ (И) = Тм/яд(И), (2)
где Тзен - радиояркостная температура атмосферы в направлении зенита; И -угол возвышения.
Форма угловой зависимости радияр-костной температуры стандартной атмосферы по данным, приведенным в работе 1-2], показана на рис. 1.
43
20 -
13 — —\—
10 — - N -
j — -—-----
° 0 10 20 30 40 30 60 10 80 50 100
Э
Рис.1.
Согласно данным рис.1 и зависимости (2) основное приращение радиояркостной температуры наблюдается при малых углах возвышения от 0° до 30° близких к направлению радиогоризонта.
Сложность получения достоверных экспериментальных данных по радиояр-костной температуре в указанном диапазоне состоит в необходимости исключения влияния на результаты измерений фонового радиошумового излучения подстилающей поверхности, принимаемого системой через боковые лепестки ДН антенны, относительный вклад которого во входной сигнал системы изменяется при изменение углового направления за счет перераспределения областей верхнего и нижнего полупространства относительно области главного и первого боковых лепестков ДН антенны. Поэтому важная задача при проведении измерений при разных углах возвышения антенны состоит в
адекватной компенсации влияния фонового шума, особенно в угловом секторе, прилежащем к направлению на радиогоризонт. Она может быть решена при введении дополнительного канала приема радиошумового излучения, создающего на его выходе мощность шумового сигнала равную помеховой составляющей входного сигнала основного измерительного канала [3-6]. Разностный выходной сигнал оказывается пропорциональным мощности, поступающей через угловую область главного лепестка, и при соответствующей калибровке системы прямо пропорционален радиояркостной температуре области зондирования.
Характеристики двухканальной СВЧ радиотеплолокационной системы и условия проведения эксперимента
В основе принципа построения рассматриваемой радиотеплолокационной системы переход к двухканальному приему радиошумового излучения при условии, что дополнительный антенный канал обеспечивает минимальный уровень принимаемой мощности по угловой области главного лепестка ДН основного антенного канала и адекватный основному каналу уровень мощности по области рассеяния ДН. Антенна, реализующая формирование двух выходных сигналов - основного измерительного и дополнительного сигнала компенсации, осуществляет прием на волнах Ни и Е01 круглого волновода с последующим разделением сигналов в специальном устройстве - модовом разделителе [3, 5].
На рис.2 приведен внешний вид антенны и приемных устройств двухканальной радиотеплолокационной системы. Антенна представляет собой конический рупор с эллиптическим раскрывом, размеры ко-
торого в горизонтальной плоскости 120 вая зависимость может значительно отли-мм, в вертикальной плоскости 100 мм. чаться от формы, задаваемой изменением
оптической толщины атмосферы (рис. 1).
Для исследования влияния неоднородности окружающего пространства на результаты измерений были смоделированы две ситуации: нахождение вблизи месторасположения антенны объекта (здания), значительно перекрывающего нижнее полупространство ДН антенны (рис.4), и удаленное расположение объекта, перекрывающего меньшую угло-
На рис.3 показаны ДН двух антенных каналов основного (1) и дополнительного (2), нормированные к уровню основного канала на частоте 10 ГГц.
Размер излучающего раскрыва рупора определяет ширину ДН по уровню половинной мощности равной 10°, а размер полного главного лепестка ДН составляет 25°. При относительно малой высоте подъема антенны радиошумовое излучение подстилающей поверхности создает значительный прирост выходного сигнала системы основного измерительного канала. В результате при указанных неблагоприятных условиях измерения радиояр-костной температуры атмосферы ее угло-
вую зону нижнего полупространства (рис.5).
Результаты измерений угловой зависимости радиояркостной температуры атмосферы двухканальной СВЧ радио-теплокационной системой
Для проверки возможности выполнения измерений радиошумового излучения атмосферы при малых углах возвышения и относительно низкой направленности приемной антенны были проведены измерения угловой зависимости радиояркост-ной температуры атмосферы двухканаль-ной СВЧ радиотеплолокационной систе-
мой с компенсацией фонового излучения окружающего пространства при расположении антенны на высоте 9 м, что определило достаточно сильное влияние радиошумового излучения антенны при проведении измерений в направлении радиогоризонта.
На рис.6 приведены данные измерений по девяти угловым направлениям, начи-
ная от направления на радиогоризонт (0°). Значительное уменьшение радиояркост-ной температуры при увеличении угла возвышения вызвано снижением доли входного сигнала, обусловленного приемом фонового излучения от подстилающей поверхности. Зависимость 1 на рис.6 соответствует условиям измерения рис.4, а зависимость 2 - рис.5. По данным измерений наблюдается существенная разница при углах высоты более 20°, что может быть обусловлено различием расположения высокотемпературных областей в ближней угловой области ДН антенны.
При проведении измерений одновременно с сигналом основного антенного канала фиксировался сигнал дополнительного канала, уровень которого адекватен помеховой составляющей первого сигнала, обусловленной приемом радиошумового излучения окружающего фона через боковую область ДН антенны. Результаты измерений в виде временной записи уровня выходного сигнала в температурной шкале отсчета для первого случая (рис.4) приведены на рис. 7 (1 - сигнал основного канала; 2 -сигнал дополнительного канала).
Для определения радио-яркостной температуры атмосферы была найдена разностная величина сигналов основного и дополнительного каналов и выведен тренд полученной зависимости, который представлен на рис.8.
Полученная угловая зависимость ра-диояркостной температуры однородной облачной атмосферы вблизи направления радиогоризонта хорошо совпадает с формой угловой зависимости, задаваемой выражением (2), причем для двух случаев измерений (рис.4 и 5) они имеют хорошее совпадение.
Рис. 6.
Заключение
Проведенные измерения радиошумового излучения атмосферы в условиях существенно неоднородного окружающего пространства показали сильную зависимость результатов измерений вблизи радиогоризонта от перераспределения угловых областей ДН антенны и значительно различающихся по излучательной способности областей. Особенно это проявляется в случае применения слабонаправленных антенн с относительно широким главным лепестком ДН и высоким уровнем коэффициента передачи в ближней боковой области. Применение двухка-нальной СВЧ радиотеплолокационной системы позволяет существенно уменьшить это влияние.
Анализ угловой зависимости ра-диояркостной температуры однородной атмосферы от угла возвышения, полученной с помощью двухканальной СВЧ радиотеплоло-кационной системы с компенсацией влияния фонового излучения окружающего пространства, показал: данная система позволяет выполнять радиояркостные измерения в широких пределах углов возвышения, даже вблизи радиогоризонта, что позволяет существенно расширить возможности исследований и прогнозирования развития процессов в атмосфере особенно для стационарных радиотеплолокационных систем.
Литература
1. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука, 1973. - 416 с.
2. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радио-теплолокация в метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987 - 283 с.
3. Федосеева Е.В., Ростокин И.Н. Радиометрическая система с дополнительным каналом формирования сигнала компенсации/ Труды ГГО. - 2010. - Вып. 562. -с. 243-257.
4. Федосеева Е.В. Погрешности компенсации фоновых шумов в СВЧ радиотеплолока-ционных измерениях / Радиопромышленность.- 2012. - Выпуск 2. - С.105-113.
5. Патент на полезную модель № 91630 оп. в бюл. №5 от 20.02.2010г. Радиометрическая система с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех/ Федосеева Е.В.
6. Ростокин И.Н., Федосеева Е.В., Ростокина Е.А. Радиометрическая система дистанционного зондирования атмосферы./ Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А. Арманда. / Сб. докладов. - Муром: Изд.-пол. центр МИ ВлГУ, 2010. С 263 - 266.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-02-97520-р_центр_а). Поступила 24 апреля 2013 г.
Информация об авторах
Федосеева Елена Валерьевна - кандидат технических наук, доцент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
E-mail: elenafedoseeva@yandex.ru.
Ростокин Илья Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры управления качеством технических средств Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
E-mail: rostockin.ilya@yandex.ru.
Ростокина Елена Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры управления качеством технических средств Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
E-mail: arostokina@yandex.ru.
Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23.
English
Results of sounding of the cloudy atmosphere near the radio horizon two-channel the microwave oven radiometric system
FedoseevaElena Valerievna- candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Rostokin Ilya Nikolaevich - candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Rostokina Elena Anatolievna - candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Address: 602264, Murom, st. Orlovskaya, h. 23.
Abstract: Possibility of the solution of a problem of carrying out the microwave oven of radio heatloca-tional sounding of the atmosphere near the radio horizon is investigated at significantly non-uniform structure of a radio noise background of the bottom half-space. Theoretical angular dependence of the radio brightness temperature of the uniform atmosphere is analysed, its significant growth is noted at small corners of the eminence, caused by increase in its optical thickness. Except considerable differential of the radio brightness temperature at small corners of an eminence of the antenna an essential factor complicating possibility of obtaining authentic data is essential change of influence of the bottom half-space on results of the measurements which radio noise radiation arrives on a system entrance through lateral petals of the directional pattern of the antenna. Measurements are executed at two various situations from the point of view of change of radiating properties of the bottom halfspace. Influence of a measuring situation on results even is shown at rather big corners of an eminence at small spatial selectivity of the antenna. Similar angular dependences of a signal of the additional channel of system at which exit the signal of compensation of an interfering component of an entrance signal of the main measuring channel is formed are at the same time received. The systems given on a differential output signal in which influence of heterogeneity of the bottom half-space is significantly compensated are given. The received angular dependences of the radio brightness temperature two-channel microwave oven of radiometric system who allowed to draw a conclusion on possibility of its application at the corresponding calibration in wide angular sector, even in angular area adjacent to the direction on the radio horizon.
Key words: the radio brightness temperature of the cloudy atmosphere, background radio noise radiation, angular area near the radio horizon, two-channel the microwave oven radiometric system.
References
1. Esepkina N.A., Korol'kov D.V., Pariiskii Iu.N. Radioteleskopy i radiometry. [Radio telescopes and radiometers] M.: Nauka, 1973, 416 p.
2. Stepanenko V.D., Shchukin G.G., Bobylev L.P., Matrosov S.Iu. Radioteplolokatsiia v meteorologii. [Thermal radar in Meteorology] L.: Gidrometeoizdat, 1987, 283 p.
3. Fedoseeva E.V., Rostokin I.N. Radiometricheskaia sistema s dopolnitel'nym kanalom formirovaniia signala kompensatsii [The radiometric system with an additional channel signal compensation] Trudy GGO. 2010. № 562, pp. 243-257.
4. Fedoseeva E.V. Pogreshnosti kompensatsii fonovykh shumov v SVCh radioteplolokatsionnykh iz-mereniiakh [Error compensation of background noise in the microwave measurements radioteploloka-tcionnymi] Radiopromyshlennost'. 2012. № 2, pp.105-113.
5. Patent na poleznuiu model' № 91630 op. v biul. №5 ot 20.02.2010g. Radiometricheskaia sistema s kompensatsiei additivnykh vneshnikh fonovykh pomekh [Radiometric system with compensation of additive external background noise] Fedoseeva E.V.
6. Rostokin I.N., Fedoseeva E.V., Rostokina E.A. Radiometricheskaia sistema distantsionnogo zondi-rovaniia atmosfery. [The radiometric system for remote sensing of the atmosphere] Vserossiiskie ra-diofizicheskie nauchnye chteniia-konferentsii pamiati N.A. Armanda. Sb. dokladov. Murom: Izd.-pol. tsentr MI VlGU, 2010, pp. 263 - 266.
