CC BY
41
УДК 621.396.96
Е.В. Масалов, С.Ю. Ещенко
Влияние ориентации собственного базиса метеообъекта на точностные характеристики поляризационного радиолокатора
Рассмотрены вопросы, связанные с формированием поляризационной структуры сигнала РЛС, использующей модифицированную дифференциальную отражаемость для дистанционного зондирования метеообразований. Определяются точностные характеристики. Рассматриваются результаты анализов и расчетов. Определяется направление дальнейших исследований.
Ключевые слова: поляризация, собственный базис, степень анизотропии, модифицированная дифференциальная радиолокационная отражаемость.
Поляризационные радиолокаторы, измеряющие модифицированную радиолокационную отражаемость, представляют собой перспективные одноканальные радиолокационные системы, позволяющие увеличить информативную способность средств дистанционного мониторинга природных сред и объектов.
Интерпретация данных дистанционного зондирования с использованием поляризационных РЛС делает необходимым получение достоверной информации о анизотропных свойствах метеообразований и других объектов. При этом необходимо выполнение относительных измерений как минимум на двух различных видах поляризации сигнала.
Постановка задачи
При аппаратурной реализации таких несложных методов поляризационной радиолокации имеет место выраженная зависимость оценки анизотропных свойств от угла ориентации собственного базиса метеообъекта относительно измерительного.
Указанные обстоятельства обусловливают необходимость поиска путей уменьшения этой зависимости.
Методика решения
Пусть базис метеообъекта ориентирован под углом 0 относительно измерительного. Для полу-
*
чения оценки модифицированной дифференциальной радиолокационной отражаемости Zdr необходимо поочередно излучить сигналы горизонтальной и круговой (например, правой) поля-
OUT
ризаций Er , а также осуществлять прием соответствующих сигналов и измерение их амплитуд на выходе логарифмического приемника. Тогда Zdr будет определяться по формуле (1)
Zdr (М-,0) = 20lg
Матрица рассеяния метеообъекта S имеет вид:
(с IN ^ er
vEX\
V X у
S = 0,5(Я,1 +Щ
"1 0"
0 1 + ц
cos20 sin20
sin20 -cos20
(1)
(2)
где Я-1,^2 - собственные числа матрицы рассеяния; Ц = (Я,1 — ^2)/(^-1 +^2) = (1—р)/(1+р) - степень поляризационной анизотропии метеобъекта; р = ^2 / ^1 - электрический фактор формы метеообъекта. Сигналы на выходе прямоугольного волновода будут иметь вид
| = 0,5(^1 + ^)(1+ц 00820), (3)
eJN = 0,5(Я,1 +Г)
"1" cos20
0 + ц 0
eRN = 0,5(Я,1 +А,)ц-e '4 \ (4)
j( П-20)
При подстановке (3), (4) в формулу (1), получим:
2ш(ц,Є) = 201в
ч1 + ц 00820 Анализ полученных результатов
Результаты расчетов по формуле (5) приведены на рис. 1.
(5)
Рис. 1. Зависимость модифицированной дифференциальной радиолокационной отражаемости
*
, дБ, от поляризационной анизотропии метеообъекта ц при 0=оопй : 0=0° (1); 0=11,25° (2); 0=22,5° (3); 0=33,75° (4); 0=45° (5); 0=56,25° (6); 0=67,5° (7); 0=78,75° (8); 0=90° (9)
Из приведенного графика видно, что в определении величины ZDR появляется неоднозначность, обусловленная ориентацией собственного поляризационного базиса метеообразований. Причем неоднозначность возрастает с увеличением ц. Как видно из графика (рис. 1) на интервале
[0; 0,03] величина Zцк определяется практически однозначно. Таким образом, при малых размерах гидрометеоров (эквивалентный диаметр камель ё < 1 мм, ц<0,03) ориентация собственного базиса
*
практически не вносит искажений в определение ZDR .
Для данного метода измерений величина погрешности, обусловленная ориентацией собственного базиса метеообъекта, может быть определена в виде:
ЛZDR =ц[дБ]-ZDR [дБ] = 201§(1 + ц 00820). (6)\
Из графика (рис. 2) видно, что угол в 45° отмечен отсутствием Z цк и сменой знака при движении относительно него в противоположенные стороны. Видна неравномерность распределения относительно нуля; так, для ц = 0,33, при
0 = 0° и 02 = 90°, имеем ^цк1=2,47 дБ, и ДТцк2=-3,47 дБ, соответственно.
> ДБ
2,5
1.955 1,409 0,864 0,318 0.227 -0,773
■ 1,318 1,864
■ 2,409"
2.955 -3,5
2 3 4
„ 1 5
\\ 1 ' ! ч / /
ч У /
Ж
“ -
V4 V '
/ / ч
ч. ч ^
ч
0,157 0,314 0,471 0,628 0,785 0,942
1,1 1,257 1,414 1,571
9, рад
Рис. 2. Зависимость абсолютной погрешности модифицированной дифференциальной радиолокационной
*
отражаемости А2цк, дБ , от угла ориентации метеообъекта 0 при ц=оопй : ц = 0 (1); ц = 0,1 (2); ц = 0,2 (3); ц = 0,3 (4); ц = 0,33 (5)
* *
Также видно, что при 0 ^ 0° Д2^ тах но уменьшается неоднозначность 2^ , при **
0 ^ 45° ^ 0, но увеличивается неоднозначность .
Рис. 3. Зависимость абсолютной погрешности модифицированной дифференциальной радиолокационной от-
*
ражаемости Ь2ж, дБ, от поляризационной анизотропии метеообъекта |х при 0=сош1: 0 = 0°(7); 0=11,25° (2); 0=22,5° (3); 0=33,75° (4); 0=45° (5); 0=56,25° (6); 0=67,5° (7); 0=78,75° (8); 0=90° (9)
Заключение
Полученные результаты свидетельствуют о необходимости проведения дальнейших исследований в части совершенствования алгоритмов и устройств как формирования поляризационной структуры сигнала, так и обработки принятого сигнала с целью уменьшения влияния ориентации собственного базиса на оценку анизотропных свойств метеобразований.
Литература
1. Масалов Е.В. Оценка влияния ориентации собственного базиса метеообъекта на оценку модифицированной дифференциальной радиолокационной отражаемости / Е.В. Масалов, С.Ю. Ещенко // Матер. науч.-техн. конф. «Научная сессия ТУСУР-2011». - Томск : В-Спектр. - Ч. 6. - С. 281-284.
Масалов Евгений Викторович
Д-р техн. наук, профессор каф. КИПР
Тел.: 8 (382-2) 53-21-84
Эл. почта: [email protected]
Ещенко Святослав Юрьевич
Студент 4-го курса каф. КИПР Тел.: 8-952-88-95-714 Эл. почта: [email protected]
Masalov E.V., Eschenko S.Y.
Influence of hydrometeor eigen basis on the accuracy parameters of polarization radar
The problem is connected with the formation of polarization structure of radar signals. Radar uses modified differential reflectivity for hydrometeor remote sensing. There are considered the parameters of accuracy, the results of the analysis and calculations.
Keywords: polarization, eigen basis, anisotropy degree, modified differential radar reflectivity.
