CC BY
27УДК 62-503.57
СОВМЕЩЁННЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Булкин Владислав Венедиктович
доктор технических наук, профессор Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». Адрес: 602264 Муром, Владимирская обл., ул. Орловская, д. 23.
Аннотация: В статье рассматриваются принципы построения и функционирования совмещённых пассивно-активных радиометеорологических систем. Показаны общие принципы возможного совместного использования активных и пассивных радиолокаторов в метеорологических задачах. Показана структура построения системы. Приведена классификация основных параметров комплекса по трём векторам: информативному, обстановки, неинформативному (помехи). Проанализированы пути обеспечения эффективного функционирования системы на основе максимального объединения параметров обстановки и информативного вектора, и компенсации внутренних помеховых проявлений неинформативного вектора. Совмещение в единой системе активного и пассивного локаторов ставит вопрос о необходимости обеспечения электромагнитной совместимости каналов. Введение в схему элементов, обеспечивающих максимально возможную развязку между каналами, обусловлено потребностью увеличить потенциал радиолокатора и повысить чувствительность радиометрического приёмника. Проведён расчёт минимального уровня развязки между каналами, сформулированы принципы обеспечения необходимого уровня развязки.
Реализация принципа совмещённого применения каналов возможна по трём основным направлениям: раздельное во времени, попеременное и одновременное использование.
В статье приведены результаты исследований атмосферных объектов и процессов, обеспеченные различными реализациями совмещенных систем. Приведены результаты исследований микрофизических характеристик облаков и осадков (водозапас и водность облаков, интенсивность осадков), характеристик молниевой активности грозоопасной облачности, выявления зон возможного обледенения самолётов. С помощью различных реализаций совмещённых систем выполнен большой объём экспериментальных исследований, данные которых позволили подтвердить и уточнить заложенные физические принципы. Ключевые слова: радиометеорологическая система, радиолокатор, радиометр, электромагнитная совместимость.
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.
Активные радиолокационные средства применяются для дистанционного измерения радиолокационной отражаемости облаков и
осадков Z, и получения данных о водности облаков ^ и интенсивности осадков I [1-4]. Пассивные радиолокационные (радиотеплоло-кационные) средства позволяют осуществить дистанционный контроль интегральных параметров влагосодержания облачной атмосферы (влагозапас атмосферы Q, водозапас облаков Ж и др.) [5-9].
Стремление компенсировать недостатки каждого из методов неизбежно привело к появлению методик совместного использования пассивных и активных систем. Такое совмещение позволяет получать одновременно с одних и тех же направлений радиолокационный сигнал и собственное радиотепловое излуче-
ние облачной атмосферы, и при соответствующей обработке получаемой информации взаимно компенсировать недостатки, присущие каждому из каналов в отдельности. Таким образом, обеспечивается решение ряда задач метеорологического назначения, среди которых следует выделить определение водозапаса облаков и осадков, определение профиля водности облаков в направлении визирования, оценку пространственного распределения мелкокапельной и крупнокапельной фракций водоза-паса облачной системы, выявление переохлаждённых зон облачных образований с целью предупреждения возможного обледенения самолётов, выявление зон возможного образования градовых ячеек, исследование атмосферного электричества и т.д. [9-12].
В статье рассмотрены принципы построения и основные варианты реализации совмещённых пассивно-активных радиометеорологических систем, приведены некоторые результаты исследований метеорологических процессов.
Методы построения совмещённых систем
Принципиальная возможность создания совмещённой системы, включающей два канала -пассивный (микроволновый радиометр) и активный (радиолокатор, РЛС), без конкретизации её структуры была показана в [3]. Реализация совмещения пассивного и активного каналов измерения может быть осуществлена различными путями [8-11,13].
1. Раздельное построение (с пространственным разнесением) пассивного и активного каналов с взаимной синхронизацией. Пример такого построения представлен, например, в [12].
2. Совмещённое построение пассивного и активного каналов с взаимной синхронизацией и периодизацией (очерёдностью) работы. Примером такой системы может служить станция, реализованная в Муромском институте [9, 14]. Отличительная особенность этой системы - использование четырёхканального радиометрического приёмника. Работа каналов осуществлялась на одну антенну. Поскольку развязка каналов не обеспечивала минимизацию влияния активного канала на пассивный
(в качестве активного канала использовалась некогерентная самолётная РЛС «Лоция» с импульсной мощностью 65 кВт), работа их осуществлялась в раздельном режиме, на ортогональных поляризациях.
3. Совмещённое построение пассивного и активного каналов, сопряжённых с общей антенной и работающих практически одновременно, в пределах периода модуляции зондирующих импульсов. Обоснование принципа построения и общее описание схемы системы было представлено в [11]. Система получила название пассивно-активной радиолокационной системы (ПАРЛС).
Поскольку построение совмещённых систем по первому и второму вариантам не представляет сложностей, ограничимся рассмотрением особенностей построения ПАРЛС по третьему варианту.
Модель ПАРЛС
Схема ПАРЛС, как модели контрольно-измерительной метеорологической системы, в общем виде показана на рис. 1. Здесь G - вектор параметров обстановки, G = , а2,..., ам }; I -вектор информационных параметров, I = {&!,Ъ2,...,Ът}; Е - вектор мешающих (неинформативных) параметров, Е = {е1,е2,...,е„}; Р -оператор, устанавливающий функциональную связь между векторами G, I, Е, и сигналами Уг и У2, поступающими на вход измерителей.
Предварительная фильтрация и выделение из помех (первичная обработка) Уг и У2 осуществляется непосредственно в ПАРЛС. Далее выходные сигналы пассивного Уп и активного Уа локаторов поступают на основной блок обработки данных, где подвергаются вторичной обработке с целью получения оценки информационных параметров I и параметров обстановки G . При этом, алгоритм обработки может меняться в соответствии с уточнёнными
значениями параметров G . Такое управление осуществляется (на основе априорной информации о параметрах I , G) блоком памяти и
E
Рис.1. Модель ПАРЛС
априорной информации. Адаптация алгоритмов обеспечивает наилучшее согласование измерительной аппаратуры с характеристиками окружающей среды.
Поскольку для АК и ПК используется одна антенна, характеристики диаграммы направленности антенн для каналов идентичны. Разделение каналов можно осуществить в тракте радиочастоты путём частотной селекции. Практически разнос активной и пассивной рабочих частот не превышает нескольких сотен мегагерц. Поэтому можно считать, что основные параметры G, I, Е в суммарной полосе частот, занимаемой обоими каналами, не зависят от длины волны. Исключение составляют рабочие частоты, находящиеся вблизи линии поглощения водяного пара или кислорода. Отсюда, в свою очередь, следует предположение: часть информативных параметров I^ и параметров обстановки О^ является общей для активного и пассивного каналов комплекса. Они имеют различные функциональные связи с входными сигналами радиометра и активного
радиолокатора, но общую физическую природу. Этим объясняется информативная избыточность и более высокая точность измерений совместных наблюдений за состоянием объекта I, Одвумя каналами.
С практической точки зрения радиотепло-локационный метод определения водозапаса метеообъектов основан на измерении интегрального ослабления радиоволн или, иначе говоря, оптической толщины жидкокапельной влаги тк этих облаков, и поиске функциональной связи тк с водозапасом. При этом, получаемый результат в значительной степени зависит от длины волны Л, на которой проводятся измерения.
Одна из моделей, позволяющая достаточно наглядно проиллюстрировать связь между рассмотренными характеристиками, имеет вид
- д ¥ Атк = у AQ + ¥(Т )АЖ + Яд — АТЭ + ен ,(1)
дТ
где у - коэффициент поглощения; Ат^ - измеряемые по радиояркостному контрасту прира-
щения оптической толщины облаков (относительно средних значений); А - отклонение значения величины от среднего; е, - погрешность наблюдения; ¥[ Тэ ] - удельный коэффициент поглощения жидкокапельной влаги; Тэ - эффективная температура облака.
Более подробно радиотеплолокационные методы рассмотрены в [7-9].
Единственным информативным параметром Уп в пассивной части измерительного комплекса является средняя мощность сигнала, которая получается путём квадратичного детектирования с последующим интегрированием. Выходной эффект приёмника пассивной части может быть записан в виде
Уп =ФДI,О,Е,0+$ к,
где ФД!, О, Е, X) - сигнал, пропорциональный средней мощности; $ - мешающий шум.
Наблюдаемый сигнал Уп с помощью калибровки переводится в радиояркостную температуру Тя . Основные интегральные характеристики исследуемого объекта определяются соотношением (1).
Основные параметры (с учётом значимых обобщённых характеристик аппаратуры) могут быть распределены по обозначенным векторам следующим образом [15]:
- вектор информативных параметров
4 = {ТяД},
- вектор параметров обстановки
Оп = Тэ,оа, },
- вектор внутренних параметров обстановки Опв = {О0, Ип },
где ва,вр,ваз - соответственно ширина диаграммы направленности антенны, угол визирования и угол азимута; О0 - коэффициент усиления антенны; ¡лп - обобщенный коэффициент преобразования приёмника ПК.
К неинформативным параметрам могут быть отнесены сигналы помехи, обусловленные электрическими разрядами в грозовых облаках, наличием электрических машин в зоне визирования или вблизи радиометра, попада-
нием в зону луча зондирования летательных объектов естественного или искусственного происхождения и т.д.
В активном канале основным параметром, несущим информацию о метеорологическом состоянии атмосферы, при использовании активного радиолокатора является радиолокационная отражающая способность единицы объёма облаков и осадков 2. При этом производится измерение средней мощности эхо-сигналов.
Выходной сигнал активного метеорадиолокатора можно записать в виде
Уа =Ф2 (I, О, Е, X) + $ <2, где Ф2 (I, О, Е, X) - сигнал, пропорциональный среднему значению квадрата амплитуды принимаемого сигнала с рассматриваемого участка дальности; $ - широкополосный мешающий шум.
При радиолокации метеорологических объектов необходимо учитывать отличие от классических радиолокационных наблюдений, заключающееся, в первую очередь, в том, что основная информация о микрофизических параметрах метеообъекта содержится в амплитуде отражённого сигнала, а не только в его временном положении относительно момента излучения зондирующего импульса. Это отличие обусловлено тем, что облака и осадки, будучи полидисперсными средами, состоят из взвешенных и выпадающих частиц (капель и ледяных кристаллов), вся совокупность которых неравномерно распределена в пространстве и находится в состоянии постоянного относительного перемещения. В результате мощность принятого сигнала изменяется от одного зондирующего импульса к другому [2,3]. В этих условиях главными становятся требования точности измерения радиолокационной отражаемости (мощности отражённого сигнала) и воспроизведение формы этого сигнала.
Решение задачи выявления зависимости взаимосвязи 2 с показателями влагосодержа-ния атмосферы затруднено, кроме того, наличием ярко выраженного регионального характера закона распределения частиц по размерам, для учёта которого приходится вводить ряд
частных коэффициентов. Информационным параметром активного канала, характеризующим 2, является средняя мощность принятого антенной отражённого сигнала Pr. Взаимосвязь этих показателей определяется соотношением
P =
PtGl^TuCel ZVV m2 -1
4 V R2 ln2 2 т m + 2
2
K0KзапKови > (2)
где Pt - излучаемая мощность; ти - длительность зондирующего импульса; c - скорость распространения волны; m - комплексный коэффициент преломления вещества частицы; Я -расстояние до зондируемого участка; К0 - коэффициент ослабления радиолокационного сигнала; V - коэффициент, учитывающий отклонение реального закона распределения отраженных сигналов от релеевского; Кови - коэффициент ослабления сигнала внутри импульса; Кзап - коэффициент заполнения объёма импульса исследуемым объектом; / -обобщенный коэффициент преобразования сигнала в приёмнике РЛС.
Рассматривая уравнение (2) нетрудно заметить, что все параметры, учтённые в нём, могут быть объединены в несколько групп;
- Р(,ти, Л - параметры, характеризующие передатчик РЛС;
- О0, ва - параметры, характеризующие ан-тенно-фидерную систему;
- К0, с, Я - параметры, характеризующие прохождение сигнала через среду;
- 2V, т, Кзап, Кови - параметры, характеризующие метеообъект;
- / - параметр, характеризующий приёмник.
В соответствии с этим (2) можно записать
следующим образом
P =
1
4Vln2
[р^2 fe ]
Kc
R2
Zv
m2 -1
m2 + 2
K K
зап ови
(3)
Первый множитель характеризует диаграмму направленности антенны.
В соответствии с ранее принятой логикой определения векторов I, О и Е представленные в (3) параметры могут быть классифицированы следующим образом:
- вектор информативных параметров
^ = {Р, Л, 2};
- вектор параметров обстановки
Оа = Ко, с, Я, ва ,вр,ва, т, Кзап, Кжи , Т }
- вектор неинформативных (мешающих) параметров Еа = V};
- вектор внутренних параметров обстановки
Оаа /}.
К вектору неинформативных параметров в зависимости от типа решаемых задач и используемых средств могут относиться: нефтяные плёнки на поверхности льда; наличие микрочастиц тяжёлых металлов в пылевых отложениях на подстилающей поверхности; кислотные или пылевые включения в частицы осадков и т.д.
Классификация коэффициента V как принадлежности вектора Е объясняется тем, что данный параметр характеризует наличие стохастических перемещений элементарных отражателей (микрочастиц тумана), обусловленных турбулентными потоками восходящих (или нисходящих) воздушных масс, поддерживающих капельно-жидкую массу в состоянии облачного образования.
К вектору О следует отнести коэффициенты, связывающие значения 2, I и w .
Совмещение в единой системе активного и пассивного локаторов ставит вопрос о необходимости обеспечения электромагнитной совместимости каналов. Обусловлено это потребностью увеличить потенциал радиолокатора и повысить чувствительность радиометрического приёмника. Стремление решить указанные задачи приводит к необходимости обеспечения защиты 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 ПК и влия-
х
2
X
нием гетеродина радиометра на работу приёмника АК.
При работе СВЧ-радиометра и РЛС в системе ПАРЛС на одной длине волны, радиопомеха, создаваемая локатором радиометру, обусловлена, прежде всего, просачиванием зондирующего импульса РЛС на его вход.
Мощность просочившейся помехи Р(в (в -внутренняя) может быть представлена как сумма
Р = Рг + Кв - L0 (4)
где kсв - коэффициент связи передающего и приемного трактов ПАРЛС; Ьо - потери при распространении радиоволн от передатчика РЛС до входа радиометра (развязка) [9].
Коэффициент связи kсв определяется развязкой kц, обеспечиваемой антенным переключателем (циркулятором) РЛС и затуханием, вносимым разрядником kр
Кв = К + kр . (5)
Для РЛС типа МРЛ-2 можно принять kц = -20 дБ, kр = -40 дБ. С учётом этого из (5) можно получить
К =Р-Рв+ ¿р) = р-Рв -60. (6)
Допустимая мощность помехи определяется флуктуационным порогом чувствительности радиометра А Т. При АТ= 1 К
Рв = К-А/, (7)
где А/ - полоса пропускания тракта промежуточной частоты (ПЧ) радиометра. Например, при А/ = 100 МГц, Рв = 10-15 Вт. Полагая Р
=100 кВт и выразив величины Р и Р/ в децибелах относительно ватта, из (7) находится необходимая для обеспечения электромагнитной совместимости каналов развязка: Ьо =140 дБ.
Достижение такой значительной развязки представляет собой сложную техническую за-
Активный канал
Внешние:
-информативный
h = \Pt- А
- обстановки -
[Г0.с.Д. m. | 11 I к к - I
L зап - ови' и J
неинформативный
Внутренние:
-обстановки
Gas = М
Содержание векторов параметров
Совмещённые
Внешние:
информативный
7 - Ы
- обстановки
Gan
Внутренние:
-обстановки
Gnae ~ iGo}
- иеинформативный
Ee=\pts-p:}
Пассивный канал
Внешние:
-информативный
j _ >т I
- обстановки
Gn={Ts}
- неинформативный
Еп={£1-£2- • -И }
Внутренние:
-обстановки
Рис. 2. Содержание и распределение векторов параметров ПАРЛС
дачу. Основные пути решения этой задачи рассмотрены в [8,9,13,18].
Проведённое рассмотрение, с учётом анализа влияния на степень информативности получаемых данных всех остальных параметров, позволяет раскрыть содержание контрольно-измерительной системы по рис. 1. Вся совокупность рассмотренных векторов, в том числе - внутренние, а также векторы параметров, являющихся общими для обоих каналов, представлена на рис. 2. Рг - мощность гетеродина ПК, знак «в» указывает на влияние отмеченного параметра на работу каких-либо других систем, параметры е1, е2, ..., еп и е1', е2, ..., е' -
характеризуют собой возможную совокупность всех мешающих процессу измерения факторов по каждому из каналов. Распределение дано в предположении, что оба канала работают на одной длине волны. Значения параметров I, G и Е будут устанавливаться условиями конкретной задачи. Например, для случая выявления зон возможного обледенения самолётов параметры вектора I могут определять вероятность и скорость обледенения в какой-то из зон на пути его движения,
параметры вектора О - координаты этой зоны,
а параметры вектора Е - наличие, например, зон грозовой активности или мощных турбулентных воздушных потоков.
Практическая реализация ПАРЛС
Первая реализация принципа совмещенной
пассивно-активной радиолокационной системы была осуществлена в ГГО им. А.И. Воейкова посредством доработки метеорологического радиолокатора МРЛ-2П (Л = 3,2 см) с включением в схему радиометрического приёмника [11]. Принцип совмещения заключается в разделении периода посылок РЛС на два интервала: для приёма отражённых сигналов РЛС и для приёма собственного радиотеплового излучения исследуемых объектов. При этом РЛС работает в режиме, практически не отличающемся от стандартного. Схема системы показана на рис. 3 [16].
Частота модуляции радиометра равна частоте посылок радиолокатора. Опорное напряжение радиометра вырабатывается специальным генератором, который синхронизируется импульсом запуска МРЛ-2 и позволяет смещать фазу опорного напряжения.
С целью обеспечения дополнительной развязки каналов использован принцип введения частотной селекции каналов [11], в соответствии с которым развязка между каналами будет дополнительно обеспечиваться усилителями промежуточной частоты со специальными характеристиками.
Центральная частота и полоса пропускания усилителей обоих каналов выбираются из следующих соотношений (рис. 2). Для усилителя активного канала центральной частотой является частота а полоса пропускания должна удовлетворять условию А/а «1/ти . Для усилителя пассивного канала центральная частота ^ и полоса пропускания выбираются
из условия
/-(А/п/2)» /-(А/а/2). (8)
Среди преимуществ такого способа совмещения прежде всего следует отметить высокую степень развязки радиометра и РЛС.
При совмещении активного и пассивного каналов необходимо решать не только проблему электромагнитной совместимости, но и согласовать скорость сканирования и возможность осреднения зафиксированного радиотеплового сигнала, определить минимально допустимый угол места, под которым возможна работа пассивно-активной радиолокационной станции.
Минимально допустимый угол места, под которым могут проводиться наблюдения с помощью пассивно-активной радиолокационной станции, определяется положением второго бокового лепестка диаграммы направленности антенны и для радиолокатора МРЛ-2П составляет 2о. Естественно, сказанное справедливо при условии отсутствия местных предметов, наблюдаемых при положительных углах места. При этом минимальная высота облачности -Нмин = 0,35 L, где L - удаление исследуемого объекта от станции.
При работе пассивно-активной радиолокационной станции в режиме кругового обзора в пассивном канале происходит осреднение ра-диояркостной температуры по азимуту в пре-
делах разрешаемого угла. Его величина определяется соотношением между постоянной
времени пассивного канала т и скоростью вращения антенны п (об/с). Если полагать, что для измерения радиояркостной температуры
необходимо время, равное 3 т*, то разрешаемый угол составит
3т*п т*п
в„ =
(9)
Рис. 4. Пассивно-активная система, реализованная в МИ ВлГУ
60 20
При Я = 30 км, что соответствует границе ближней зоны, в пределах которой в основном и применяется пассивно-активная радиолокационная станция, и т* = 1 К/с - скорость вращения антенны должны быть п = 0,33 об/мин.
Если использовать стандартную для МРЛ-2 скорость вращения антенны п = 6 об/мин, то
получаем т* = 0,06 К/с.
Достижение такого уровня чувствительности, который обеспечит возможность работать с подобными значениями постоянной времени, представляется проблематичной задачей. В силу этого необходимо либо резко снижать скорость обзора, либо использовать комбинированный метод - сначала работа в режиме кругового обзора и выявление зон усиленного контроля, а затем контроль этих зон в режиме секторного обзора. При этом необходимо осуществлять накапливание сигнала с данного направления.
Аналогичный принцип создания пассивно-
активной станции с применением метеонавигационного радиолокатора «Гроза» был использован в Муромском институте ВлГУ [9,13,18] (рис. 4). Испытания станции были проведены в составе наземного комплекса на базе ГГО «Тургош». Приёмо-
передающая часть ПАРЛС была установлена на антенной станции МРЛ-2. Проведённый расчёт показал, что метеорологиче-
ский потенциал активного канала составляет около 270 дБ (около 47 дБ для потенциала МРЛ-2), флуктуационный порог чувствительности по радиояркостным температурам пассивного канала составлял 0,3...0,4 К при постоянной времени т* = 1с . При проработке станции были учтены особенности условий эксплуатации на борту самолёта, в том числе -с точки зрения помехозащищенности. Достигнутый уровень развязки между каналами - порядка 160 дБ [9,18].
В настоящее время наиболее перспективным является раздельное построение пассивного и активного каналов с общей антенной, работающих одновременно с взаимной синхронизацией [17]. При этом появляется свобода выбора частотного диапазона пассивного канала и полосы пропускания для обеспечения электромагнитной совместимости и высокой чувствительности СВЧ-радиометра. В частности, снимается требование обеспечения уровня развязки не менее 140 дБ. Следует отметить, что при применении серийных конверторов спутникового телевидения в диапазоне частот 10,7 - 12,7 ГГц с шириной полосы пропускания 1 ГГц и фактором шума Fш = 0,3 - 0,4 дБ можно получить результативную чувствительность порядка 0,01 К/с, что недостижимо для других вариантов построения ПАРЛС.
Практическое применение ПАРЛС в задачах научных исследований и обеспечения безопасности техносферы
Практическое применение рассмотренных ПАРЛС связано, прежде всего, с исследованием влаго- и водозапаса атмосферы, а также атмосферных осадков, выявлением зон возможного обледенения самолётов, градо- и грозоо-пасных ячеек, и т.д. Рассмотрим некоторые результаты применения ПАРЛС.
На рис. 5 приведены результаты исследований осадков при прохождении холодного фронта. Осадки имели ливневый характер, а высота нулевой изотермы была равна 3,3 км. Зондирование осуществлялось при угле места антенны, равном 2о. При этом диаграмма направленности пересекала зондируемый слой протяженностью до 45 км, находящийся на удалении 30 км от РЛС на высотах 0,98 — 2,62 км, что ниже нулевой изотермы.
На рис. 5 приведены результаты зондирования слоя осадков в двух направлениях (азимуты 7 и 22О) с близкими значениями максимальной радиолокационной отражаемости (lgZмакc ~ 1,9) и существенно отличающимися значениями водозапаса (23 и 49 кг/м3 соответственно). На рисунке показаны изменения lgZ в этих направлениях визирования и интенсивности осадков, рассчитанной по результатам совместных пассивно-активных измерений. Максимальные расчётные значения интенсивности дождя для этих направлений составили 4,3 и 10 мм/ч соответственно. Зондирование с применением ПАРЛС позволило выделить в осадках (при одинаковой радиолокационной отражаемости) очаги с различной интенсивностью.
Полученные результаты показывают перспективность дистанционного определения влаго- и водо-запаса атмосферы и исследования их пространствен-
Рис. 5. Ход радиолокационной отражаемости (I) и интенсивности осадков (II) по результатам зондирования в двух направлениях: азимут 7° (1)
и азимут 22° (2)
но-временной изменчивости на основе применения методов пассивно-активной радиолокации. Наиболее эффективны эти методы при изучении водозапаса и средней водности конвективных облаков мощных кучево-дождевых облаков, полёты в которых практически невозможны и которые представляют наибольший интерес для активных воздействий на них с целью вызывания осадков и регулирования электрической активности.
Для авиации одним из опаснейших метеоявлений, связанных с наличием в атмосфере переохлаждённой воды, является обледенение летательных аппаратов (ЛА). В принятые критерии распознавания опасных метеообъектов входят различные метеопараметры атмосферы, среди которых: высота нижней границы и толщина слоя облаков, толщина слоя обледенения, средние значения температуры, относительной и удельной влажности в слое обледенения и ряд других. Одним из основных недостатков таких измерений является отсутствие возможности локализации опасной зоны, т.к. критерий применяется для метеообразования в целом. Лучшую оправдываемость прогноза можно получить, применяя критерий, основанный на использовании в качестве исходных параметров температуры и водности облаков по курсу самолета [18].
На рис. 6 представлены результаты зондирования мощного кучево-дождевого облака, осуществлённого с помощью ПАРЛС. На рис.
6а представлен вертикальный разрез облака и уровень нулевой изотермы (Т = 0оС). Как видно из рисунка, основная часть облака расположена выше уровня нулевой изотермы, что говорит о высоком содержании переохлажденной и кристаллической влаги. На рис. 6б приведено угломестное распределение максимальной отражаемости облака ^ 2макс, определённой по величине эхо-сигнала, и восстановленный профиль средней водности в зависимости от угла места / . В соответствии с критерием предложенным критерием были выявлены зоны возможного обледенения, местоположение которых в границах исследуемого облака показано на рис. 6а штриховкой.
Исследование грозовой активности посредством ПАРЛС обычно предусматривает применение более разветвлённой структуры системы, с использованием многоволновых активного и пассивного каналов, дополненных аппаратурой грозопеленгации, регистрации электромагнитных импульсов, связной аппаратурой и системой сбора общеметеорологической информации. Кроме того, могут использоваться самолёты-лаборатории, имеющие доступ в зоны, непосредственно прилегающие к грозоопасным ячейкам. Подробно это рассмотрено в [19,20].
Методика проведения наблюдений может предусматривать осуществление горизонтальных разрезов на высотах ~ 1 км (уровень выпа-
' Н.км
15.
10
¿¡(угол места)
- Ig Zfaax)
-wfa/M3)
з igz,
Ч-1-1-1—н
•iteax)
0,2 0,6 1.0 № а б
Рис.6. Результаты зондирования мощного кучево-дождевого облака
дения осадков, Н1), на уровне расположения нулевой изотермы (в Ленинградской области в июне-июле Н=0оС = 2,7-3,0 км - Н2), на высотах Н ~ 5 км (Н3), 7 км (Н4) и 9 км (Н5), т.е. наблюдения за переохлажденной частью облака, где происходит электризация, вертикальных разрезов через зоны с максимальной отражаемостью (lgZмакс) и через 3-5о по обеим сторонам от этой зоны, определение скорости и направления перемещения радиоэхо облаков, изменения во времени верхней границы облака и lgZмакс, контроль ячеистости структуры радиоэхо облака и т.д. Возможны другие методики.
В качестве примера на рис. 7а приведены вертикальные профили отражаемости и водности грозовой конвективной ячейки (КЯ), исследовавшейся на протяжении 60 минут (40 минут продолжалась гроза). Профили Z(H) и w(H) соответствуют периодам роста, пика и уменьшения грозовой активности (ГА). Видно, что за время грозы Z(H) и w(H) имели большие отличия и несовпадающие в пространстве и времени максимумы. В этой КЯ, высотой 10 км, было зафиксировано несколько максимумов w размером 1-3 км: на высоте 1-2 км (очевидно, связанный с зоной осадков) и на высоте 4-5 км. Количество грозовых разрядов (ГР) в
указанные периоды ГА ячейки составило 4; 18 и 1 разрядов за 5-минутный интервал. Соответствующие этим интервалам значения wмакс составили 0,07; 0,25 и 1,1 г/м3. Очевидно временное несовпадение максимумов ГА и w, т.е. начало и пик ГА отмечались при малых значениях водности, которая увеличилась лишь к окончанию грозы.
В грозовой ячейке, выявленной при проведении другого сеанса наблюдения, профили w(H), полученные в трёх соседних вертикальных разрезах КЯ с шагом 1о по азимуту, показали наличие максимума водности 0,77 г/м3 на высоте 9 км размером около 1 км, существовавшего не более 5 минут (рис. 7б).
Эти экспериментальные данные показывают, что имеет место различие в оценках пространственно-временного распределения водности грозового облака по данным ПК и распределения его отражаемости по данным АК, максимумы грозовой активности и водности КЯ не совпадают во времени, в верхней части облака (на высотах 7-9 км) могут появляться области переохлаждённых капель размером около километра, время существования которых в восходящем потоке на этой высоте составляет несколько минут. Более подробно эти
Рис.7. Вертикальные профили Z и w в периоды роста (1), пика (2) и уменьшения (3) грозовой активности первой КЯ (а), а также для трёх соседних азимутов (1-3) в облаке второй КЯ (б)
вопросы рассмотрены в [19,21].
Выводы
Совмещённые пассивно-активные радиометеорологические системы позволяют решать различные задачи, имеющие как научный, так и прикладной характер: определение водозапаса облаков и осадков, оценка полного содержания жидкокапельной влаги в облаках, определение профиля водности облаков в направлении визирования, исследование изменений указанных характеристик во времени в процессе естественной эволюции конвективных облаков и при искусственных воздействиях на них и т.д. При этом обеспечивается повышение точности за счёт компенсации недостатков, присущих в отдельности как активному, так и пассивному методам. Кроме того, становится возможным решение принципиально новых задач, таких, как определение возраста льда, выявление загрязнений объектов природной среды, выявление переохлаждённых зон облачных образований с целью предупреждения возможного обледенения самолётов, выявление зон потенциального градообразования или грозовой активности, и т.д.
К настоящему времени разработаны физические основы пассивно-активного зондирования атмосферы, решён ряд вопросов методического характера, обеспечивающих проведение измерений на различных длинах волн, дана оценка метрологических показателей функционирования системы. Имеется ряд решений технического характера, обеспечивших реализацию различных вариантов ПАРЛС или возможность их совершенствования, включая обеспечение электромагнитной совместимости, синхронизации работы каналов, повышения чувствительности и потенциала станции, калибровки и т.д.
С помощью разработанных ПАРЛС выполнен большой объём экспериментальных исследований, данные которых позволили подтвердить и уточнить заложенные физические принципы.
В настоящее время актуальной является задача разработки ПАРЛС на основе допплеров-ского радара.
Литература
1. Caлъмaн Е.М. Комплексный радиолокационный метод метеорологического обслуживания авиации. // Труды ГГО, вып.128, 19б2. -С.7-12.
2. Боровиков А.М. и др. Радиолокационные измерения осадков. - Л.: Гидрометеоиздат, 19б7. -140 c.
3. Стетненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. -Л.: Гидрометеоиздат, 1973.
4. Chernikov A.A., Ivanov A.A., Melnichuk Yu.V. The turbulence structure in cumulonimbus clouds. // Proc& 1бШ radar Met. Conf., Houston, Texas. -1975. -p.134-137.
5. Van Vleck J.H. The absorption of microwaves by oxygen. - Phys. Rev., 1947, V.71, №7. -P.413-424.
6. Жевaкин CA, Haумов А.П. К расчёту коэффициентов поглощения сантиметровых и миллиметровых радиоволн в атмосферном кислороде. / Радиотехника и электроника, 19б5, т.10, №б. -С.1б-23.
7. Hиколaев А.Г., Перцов C.B. Радиотеплолока-ция. - М.: Воениздат, 1970. - 335 с.
S. Стетненко В.Д, Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Мaтроcов С.Ю. Радиотеплолокация в метеорологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1987.- 2S3 с.
9. Фaлин В.В. Радиометрические системы СВЧ.- М.: Луч, 1997.- 440 с.
10. Cтеnaненко В.Д. Способ определения средней водности облаков с помощью радиотеплолока-ционной и радиолокационной аппаратуры. / Инф. сб. ЛВИКА им. А.Ф. Можайского, 19б8, № 92.
11. Горноcтaев Н.В., Новоселов А.И., Петру-шевский ВА., Caлъмaн Е.М., Федоров A.A., Шевелa Г.Ф., Щукин Г.Г. Активно-пассивная радиолокационная станция для исследования атмосферы.// Труды ГГО, 1975, вып.328.-С. 120-124.
12. Kaрмов Х.Н. О возможностях совместного использования радиолокационных и радиометрических измерений для обнаружения градовых очагов в облаке. // Изв. АН СССР, физика атмосферы и океана, 197S, т. 14, № 10. -С. 110б-1110.
13. Булкин В.В., Костров В.В., Фaлин В.В., Гине-отис С.П., Первушин Р.В. Методы и устройства пассивно-активной радиолокации в структуре управления воздушным движением // Электромагнитные волны и электронные системы, 2002. -№1. -С.б0-б9.
14. Фaлин В.В. Радиотехнический комплекс для зондирования облаков и осадков.: Дис...канд. техн. наук. -Л.:1980. -170с.
15. Булкин В.В. Проблемы построения пассивно-активных контрольно-диагностических комплексов для систем управления метеорологическими и метеозависимыми процессами // Приборы и системы: Контроль, управление, качество. 2005. -№3. -С.43-50.
16. Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Ильин Я.К. и др. Комплексное активно-пассивное радиолокационное
зондирование облачности.//Труды ГГО, вып.411, 1978, - С.3-12.
17. Рыбаков Ю.В., Щукин Г.Г. Альтернативный вариант встраивания пассивного канала в метеолокатор МРЛ-5. / Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Второй Всероссийской научной конференции.-Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2006. -С.400-404.
18. Гинеотис С.П. Разработка принципов построения бортовой пассивно-активной РЛС для предупреждения о возможном обледенении самолётов. Дисс... канд. техн. наук. - М.: 1990. -190с.
19. Щукин Г.Г, Булкин В.В. Метеорологические
пассивно-активные радиолокационные системы: Монография. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2009. -166 с.
20. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г. Радиометеорологические исследования // Современные исследования Главной геофизической обсерватории. Ч.2. -СПб: Гидрометеоиздат, 1999. -С.163-183.
21. Щукин Г.Г'., Степаненко В.Д. Радиофизические исследования атмосферы и подстилающей поверхности // Современные исследования Главной геофизической обсерватории. Ч.1.- С-Пб.: Гидроме-теоиздат, 1999. -С.172-190.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-08-00186-а. Поступила 18 ноября 2013 г.
English
Combined Radar Systems of Meteorological Purpose
Bulkin Vladislav Venediktovich - Doctor of Engineering, Professor, Department of Technosphere Safety Murom Institute (branch) "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov".
Address: Orlovskaya st., 23. Vladimir region, Murom, 602264, Russia. E-mail: vvbulkin@mail.ru.
Abstract: The paper deals with the design and operation of combined passive-active radio meteorological systems. General principles of possible combined meteorological use of active and passive radars are given. The building structure of the system is shown. The classification of critical parameters of a complex is given by three vectors: informative, environmental, non-informative (noises).
The methods of the system effective operations support are analyzed on the basis of maximum combination of environment and informative vector parameters, and compensation of internal interference implications of the non-informative vector. Combination of active and passive radars in a single system requires electromagnetic channels compatibility. Introducing devices ensuring the maximum decoupling between channels into the circuit is needed to increase radar performance and to enhance radiometric receiver sensitivity. The calculation of a minimum level of decoupling between channels has been performed, and the support principles of decoupling desired level have been set up.
Operation of the channels combined application principle is possible in three basic ways: time-divided, time-alternating and simultaneous usage.
The paper describes the research findings of atmospheric objects and processes. It gives the research findings of the microphysical performances of clouds and precipitation (water storage, liquid water content of clouds, and precipitation intensity), lightning activity performances, thunderstorm hazard cloudiness, and area detection of probable conditions for airplanes icing
A wide range of experiments have been performed by means of the combined systems. The received data proves and clarifies the physical principles.
Key words: the radio meteorological system, radar, radiometer, electromagnetic compatibility.
References
1. Salman E.M. Complex Radar Method of Aviation Meteorological Service. Trudy of GGO, Vyp.128, 1962. P.7-12.
2. Borovicov A.M., et al. Radar Measurements of Precipitations. L.: Gidrometeoizdat, 1967. 140 p.
3. Stepanenko V.D. Radio Detection and Location in Meteorology. L.: Gidrometeoizdat, 1973.
4. Chernikov A.A., Ivanov A.A., Melnichuk Yu.V. The Turbulence Structure in Cumulonimbus Clouds. Proc& 16th Radar Met. Conf., Houston, Texas. 1975. p.134-137.
5. Van Vleck J.H. The Absorption of Microwaves by Oxygen. Phys. Rev., 1947, V.71, №7. P.413-424.
6. Zhevakin S.A., Naumov A.P. Calculations of Absorption Coefficient of Centimeter and Millimeter Radio Waves in Atmospheric Oxygen. Radiotehnika i jelektronika, 1965, т.10, №6. P.16-23.
7. Nikolaev A.G., Pertsov S. V. Thermo-Microwave Imaging Radar. M.: Voyenizdat, 1970. 335 p.
8. Stepanenko V.D., Schukin G.G., Bobylev L.P, Matrosov S.Yu. Thermo-Microwave Imaging Radar in Meteorology. L.: Gidrometeoizdat, 1987. 283 p.
9. Falin V. V. The Radiometric Systems of Microwave Frequency. M.: Lutch, 1997. 440 p.
10. Stepanenko V.D. Determination Method of Average Liquid Water Content of Clouds by means of Thermo-Microwave Imaging Radar and Radar Equipment. Inf. sb. LVIKA im. A.F. Mozhajskogo, 1968, № 92.
11. Gornostaev N.V., Novosyolov A.I., Petrushevsky V.A., Salman E.M., Fyodorov A.A., Shevela G.F., Schukin G.G. Active-Passive Radar Station for Atmosphere Research. Trudy GGO, 1975, issue 328. P. 120-124.
12. Karmov Kh. N. Possibilities of Combined Use of Radar and Radiometric Measurements for Detection Hail Spots in a Cloud. Izv. ASc. USSR, fizika atmosfery i okeana, 1978, Vol. 14, № 10. P. 1106-1110.
13. Bulkin V.V., Kostrov V.V., Falin V.V., Gineotis S.P., Pervushin R.V. Methods and Devices of Passive-Active Radiolocation in Management Structure of Air Traffic. Jelektromagnitnye volny i jelektronnye sistemy, 2002. №1. P.60-69.
14. Falin V.V. A Radio-TV Complex for Sounding Clouds and Precipitations.: Thesis... Cand.Tech.Sci. L.: 1980. 170p.
15. Bulkin V.V. Problems of Building Passive-Active Control-Diagnostic Complexes for Management Systems of Meteorological and Weather-Dependent Processes. Pribory i sistemy: Kontrol', upravlenie, kachestvo. 2005. №3. P. 43-50.
16. Schukin G.G., Bobylev L.P., Ilyin Ya.K., et al. Complex Active - Passive Radar Sounding of Cloudiness. Trudy GGO, issue 411, 1978. P.3-12.
17. Rybakov Yu.V., Schukin G.G. The Alternative Method of Building in Passive Channel into a Meteolocator MRL-5. Ultrabroadband Signals in a Radiolocation, Communication and Acoustics: Collection of reports of the Second All-Russia Scientific Conference. Murom: Publishing Center MI VLGU, 2006. P.400-404.
18. Gineotis S.P. Development of Structural Principles of an Aircraft Passive-Active Radar for Warning of Probable Airplane Icing. Thesis ... Cand.Tech.Sci. M.: 1990. 190p.
19. Schukin G.G., Bulkin V.V. Meteorological Passive-Active Radar Systems: Monograph. Murom: Publ.Cent MI VLGU, 2009. 166 p.
20. Stepanenko V.D., Schukin G.G. Radiometeorological reseach//Modern research of Principal Geophysical Observatory. Part.2. SPb: Gidrometeoizdat, 1999. P.163-183.
21. Schukin G.G., Stepanenko V.D. Radiophysical Investigation of an Aerosphere and Underlying Surface. Sovremennye issledovanija Glavnoj geofizicheskoj observatorii. Ch.1. S-Pb.: Gidrometeoizdat, 1999. C. 172-190.
