автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы

На правах рукописи

УДК №551.501.8

Кононов Михаил Александрович

МАЛОГАБАРИТНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ РЛС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ВЕТРОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

Специальность 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о июн 2010

Москва-2010 год

004604004

Работа выполнена на кафедре физики ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Стерлядкин В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Троицкий В.И. кандидат физико-математических наук, Коломиец С.Ф.

Ведущая организация: Нижегородский радиофизический институт (НИРФИ)

Защита состоится « №» 2010г. в

на заседании

диссертационного совета Д 223.011.02 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: ГСП-3, 125993, г. Москва, А-493, Кронштадский бульвар д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в НТВ Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА).

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан « ^ » 2010года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук,

/ Колядов Д.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оперативная регистрация ветра в атмосфере является важной задачей метеорологии. Данные о высотном профиле ветра, интенсивности турбулентности, а также регистрация опасных метеоусловий жизненно необходимы для авиации, метеопрогнозов, при предупреждении опасных явлений, например, ураганов, торнадо, штормов и т.д.

Традиционно для измерения ветра в атмосфере используют: контактные приборы - анемометры, устанавливаемые на специальные метеорологические вышки или высотные строения; средства радиозондирования; профайлеры - радиолокаторы метрового и других диапазонов длин волн; оптические локаторы -лидары; акустические локаторы - содары и радиоакустические системы.

Каждое из указанных средств имеет свои ограничения. Так, например, применение анемометров серьезно ограничивается при обледенении, сильных ветрах или при штиле, а зона измерений анемометров ограничивается высотой вышки, на которой они установлены. Измерение параметров ветра с применением радиозондов требует немалых подготовительных работ, а полный цикл одного измерения протекает в течение несколько часов. При этом в сложных погодных условиях при сильном ветре проблемой является сам процесс выпуска шара в полет. Применение акустических средств ветрового зондирования атмосферы обычно ограничено высотами до 700...900м и затруднено в осадках и при высоком уровне естественных шумов. В условиях тумана и в осадках невозможно применение оптических средств ветрового зондирования. Существующие ветровые радиолокаторы - профайлеры, работающие в дециметровом и метровом диапазоне длин волн, практически не имеют ограничений по погодным условиям, однако они обладают большими размерами, а нижняя граница измерений начинается от 500...900м, что является существенным недостатком в их применении. Для измерения ветра применяются также радиолокаторы с излучением дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн, которые обладают меньшими размерами, чем профайлеры, но и у них размер антенн составляет несколько метров. По этой причине их трудно отнести к малогабаритным системам.

Таким образом, существующие методы и средства ветрового зондирования либо не являются малогабаритными, либо не позволяют проводить оперативные измерения ветра в широком диапазоне метеоусловий. Следовательно, задача разработки и создания оперативных малогабаритных средств ветрового зондирования атмосферы, работающих в широком диапазоне метеоусловий, является АКТУАЛЬНОЙ.

Цель настоящей работы состоит в проведение комплекса теоретических и экспериментальных работ, направленных на создание малогабаритного радиолокационного измерительного комплекса, обеспечивающего дистанционное оперативное измерение ветра в пограничном слое атмосферы в широком диапазоне метеоусловий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере, существующих на настоящий момент. На основании анализа выделить наиболее перспективное направление, развитие которого позволило бы достигнуть выполнения требования применения измерительной системы в практически любых погодных условиях.

2. На основе анализа различных метеоситуаций и рассеивающих свойств метеообъектов сформировать требования, которые предъявляются к параметрам измерительной ветровой системы. В частности, для дистанционных измерительных средств такими параметрами являются рабочая длина волны, энергетический потенциал, требования к антенной системе и другие. Обосновать методику оценки степени всепогодности метеорологической РЛС.

3. Разработать и обосновать методику проведения измерений, алгоритмы сбора, обработки и анализа полученных данных. Особое внимание следовало уделить методике измерения при условии слабых отраженных сигналов, например, в условиях "ясного неба".

4. Провести экспериментальную проверку предложенных решений, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: классические радиофизические методы определения радиолокационной отражаемости т) различных метеорологических образований (аэрозолей, кристаллов, капель, флуктуации показателя преломления); методы спектрального анализа; методы математического моделирования; методы математической статистики и теории случайных процессов, а также разработанные в МГУПИ методы доплеровской томографии.

Научная новизна работы. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты как теоретического, гак и практического характера:

1. Обоснован энергетический потенциал 8мм РЛС, обеспечивающий измерение ветра в пограничном слое атмосферы в различных метеорологических ситуациях. Разработана методика оценки степени всепогодности ветровых измерений для метеорологических РЛС.

2. Разработаны методика измерений и новый алгоритм математического обеспечения, предназначенный для обработки слабых отраженных сигналов в условиях неустойчивого режима регистрации. Методика и алгоритм включают операции сбора радиолокационных сигналов, первичной обработки данных и процедур извлечения метеорологической информации. Методика и алгоритм получили подтверждение, как при компьютерном имитационном моделировании, так и в натурных измерениях.

3. Создано и отработано в натурных условиях специализированное математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.

Практическая значимость работы заключается:

1. В создании алгоритма радиолокационного восстановления ветра в режиме слабых метеорологических сигналов, который может быть применен для импульсных и непрерывных РЛС различных типов. В методике оценки степени всепогодности ветровых измерений для метеорологических РЛС.

2. В создании рабочего макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы, обеспечивающей высокую оперативность и возможность работы в круглосуточном и автоматическом режиме. Данный макет РЛС является базовым для серийного производства.

5

Реализация результатов работы. Результаты расчета и обоснования энергетического потенциала и облика 8-ми миллиметровой импульсной PJ1C использовались 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ЦКБА, г. Тула при создании макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы в рамках выполнения НИР "Механизм-РВО" и ОКР "Механизм-М". Разработанная методика измерений ветра, а также алгоритмы обработки радиолокационных сигналов нашли применение при выполнении ОКР "Механизм" в ЦКБА, г. Тула; 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ФГУП "Радиозавод", г. Москва.

Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

1. Конференция ERAD (Delft, Nederland, 2002)

2. XXI, XXIII Всероссийских симпозиумах "Радиолокационное исследование природных сред" (г. Санкт-Петербург, 2003,2007);

3. XV-XVIII Международных научно-технических семинарах "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (г. Алушта, Украина, 2006-2009);

4. Научной конференции Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики (г. Москва, 2008);

5. XI Международная научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики" (г. Сочи, 2008)

6. IV Всероссийская научная школа и конференция "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (г. Муром, 2009)

Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах МГУПИ на кафедрах "Физика", "Точные приборы и измерительные системы", "Информационные оптико-электронные системы".

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в шестнадцати статьях, трех тезисах докладов на научных конференциях и семинарах, изложены в трех научно-технических отчетах по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам [1-10].

На защиту выносятся:

1. Теоретически обоснованные требования к энергетическому потенциалу метеорологической PJIC, которые обеспечивают регистрацию ветра в нижнем слое атмосферы (до 1000м) в 96% метеоситуаций.

2. Методика проведения измерении негра, включая измерения в условиях слабых радиолокационных сигналов.

3. Алгоритм, отражающий операции регистрации радиолокационных сигналов, первичной обработки, квадратурной обработки, отбраковки ошибок, получения профиля ветра, в том числе и в условиях слабых сигналов.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 83 наименовании. Работа изложена на 178 страницах, включает 6 таблиц и 64 иллюстрации.

Содержание работы. Во введении отражена актуальность работы. Осуществляется постановка задач и приводится характерист ика работы.

В первой главе представлен обзор методов и средст в измерения параметров ветра в атмосфере. Анализ отражает достоинства и недостатки, присущие различным методам и группам измерителей ветра. В классификации выделены две группы -- контактные и бесконтактные методы и средства измерения ветра. Первая группа представлена зондовыми средствами и анемометрами с различными принципами действия. Вторая группа отражает применение волн различной природы для измерения параметров ветра. Выделяются акустические, оптические, радиоакустические, акустооптические и радиолокационные методы и средства измерения параметров ветра. Па основе анализа достоинств и недостатков всего многообразия средст в измерения ветра как наиболее перспективные отмечены радиолокационные средства. Обосновано решение об использовании радиолокационного метода измерений, а в основу создаваемого измерительного комплекса заложен импульсно-когсрснтмыи радиолокатор (ИКР).

Но вводной части втором главы настоящей работы проводится классификация метеообразований, которые формируют радиоэхо. Отмечено, что при нали-

7

чии осадков отражателями являются капли или снежинки, в облаках и туманах рассеяние происходит на неоднородностях концентрации или на наиболее крупных фракциях частиц аэрозоля. В условиях ясного неба радиолокационное отражение происходит от флуктуации плотности показателя преломления воздуха

В разделе 2.1 отмечено, что большинство метеообразований представляют собой объемную множественную цель, которую удобно характеризовать не эквивалентным поперечником рассеяния (ЭПР), а величиной Г| - удельной радиолокационной отражаемостью - суммарной ЭПР рассеивателей, располагающихся в единице объема. В данном разделе рассмотрены радиолокационные отражающие свойства метеообъекта, который в метеорологии принято называть "ясным небом". Для описания флуктуаций показателя преломления воздуха использована теория В.И. Татарского. В этой теории неоднородности показателя преломления связаны с турбулентным перемешиванием различных слоев воздуха. Для описания интенсивности турбулентности вводится параметр С„2 [м"2/3]. В случае однородной изотропной турбулентности связь между удельной радиолокационной отражаемостью т) и С„2 описывается соотношением:

Т1, = 0.38 -С„2 • А. ^ , И, (1)

где X - длина волны, на которой ведется зондирование, С„2 - параметр, характеризующий интенсивность турбулентности.

Из данного выражения следует, что зависимость т^А,) незначительно растет с уменьшением длины волны К. В разделе также приводятся экспериментальные данные по величинам С„2, полученные на различных высотах в различные времена года и суток. Для слабой турбулентности значения С„2 имеют значения от 1(Г17[м~2'3], а интенсивная турбулентность характеризуется значениями С„2 до 1(Г12[м~2/3]. Соответствующие значения удельной радиолокационной отражаемости т| меняются от 2-1(Г17 до 2-1 (Г12 [м-1].

В разделе 2.2 приводятся значения удельной радиолокационной отражаемости осадков, облаков и аэрозолей. В большинстве случаев размеры частиц в таких метеообъектах много меньше длины волны А., поэтому рассеяние носит дипольный характер и описывается механизмом Рэлея (рэлеевское рассеяние). В этом случае

ЭПР отдельной частицы а~Б6Л.4, где Б - характерный размер отражателя (диаметр капли). Отмечено, что в предположении однократного рассеяния удельная величина радиолокационной отражаемости складывается некогерентно и может быть представлена как сумма отражаемостей всех рассеивателей в единице объема. По этой причине удельная радиолокационная отражаемость осадков и аэрозолей быстро растет с уменьшением длины волны К, как ЯГ*. Отсюда следует, что для регистрации облаков и осадков привлекательным является использование коротковолнового диапазона длин волн (мм и см).

Проведенный анализ показывает, что облака всех типов в см и мм диапазонах длин волн дают сигналы, превышающие уровни отражений от турбулентности, поскольку Г| для аэрозолей резко возрастает с уменьшением X. В данном разделе делается вывод о целесообразности использования максимально коротких длин волн, в частности был выбран миллиметровый диапазон длин волн.

Вопросы "прозрачности" атмосферы рассматриваются в разделе 2.3. Приводятся графики поглощения стандартной атмосферы для различных длин волн, из которых следует вывод о привлекательности использования 8мм диапазона длин волн. Дополнительным аргументом является уровень технологического освоения данного диапазона, а также возможность создания малогабаритных антенн, обладающих узкой диаграммой направленности с малым уровнем "боковых лепестков", что особо важно при регистрации слабых отраженных сигналов.

Расчет метеорологического потенциала радиолокатора, обеспечивающего надежное измерение ветра в нижнем 1000м слое атмосферы, проведен в разделе 2.4. В разделе приводится основное уравнение метеорологической радиолокации. Проводится оценка мощности минимально обнаружимого сигнала Рггпп с учетом шумовой температуры системы Те, ширины полосы анализа ДГ и некогерентного накопления спектров, приведенного ко времени измерения 1 секунда. Учет всех факторов, влияющих на мощность шумов, позволил оценить уровень минимально обнаружимого сигнала величиной Ртщ=4-10_20Вт.

В предположении, что рассеиватели полностью заполняют зондируемый объем, пренебрегая ослаблением по трассе, при удельной отражаемости г|ПцП=

=6-КГ,7[м~'] и дальности L=1000м для регистрации отраженного сигнала на уровне Р,,,;,, необходимо обеспечить метеорологический потенциал П=0.67-103[Вт-м3].

На основе уравнения радиометеорологии были оценены параметры радиолокатора, обеспечивающие требуемый потенциал: средняя излучаемая мощность Pt около 25Вт, длительность импульса т„мп=0.5мкс, пространственная протяженность импульса Ь=75м, площадь антенны РЛС должна составлять 6.5м2, что соответствует диаметру антенны 2.9м. Реальные размеры антенны при проектировании малогабаритной РЛС ограничены диаметром 1м. Следовательно, потенциал, реализуемый РЛС, будет почти в 10 раз меньше, чем необходимо для регистрации сигнала в любых погодных условиях. Реализуемый потенциал соответствует регистрации удельной радиолокационной отражаемости на уровне г)=6-10",6[м_|] , что для случая турбулентности соответствует С„2:=3-10~'6[м~2/3].

На рисунке 1 представлены данные о среднемесячных отражающих свойствах безоблачной атмосферы на разных высотах, полученные в течение многолетних измерений [Sekelsky S.M.,... RCS-IOR millimeter-wave radar calibration and data intercomparison. Proc. of 5ARM science team meeting, San Diego, California, 1995].

Рисунок 1 - Сезонное изменение величины С„2 по месяцам на различных высотах: О - 160м; X - 480м; □ - 950м; Д - 1450м

Из рисунка 1 видно, что уровень обнаружения, соответствующий значению С„2=3-10"1б[м"2/3], не обеспечивает получение сигнала в зимние месяцы, т.е. для

проектируемой РЛС получаем "слепой" период с ноября по февраль. Однако даже в этот период не все так плохо, так как далеко не все дни являются полностью безоблачными, а любая облачность будет регистрироваться нашим радиолокатором. Регистрация ветра контактным анемометром в нижнем 5 метровом слое атмосферы и в слое облачности позволяет с хорошей точностью восстановить весь профиль параметров ветра на основе статистических априорных данных. Это замечание тем более справедливо, поскольку относится к метеоситуациям со слабой турбулентностью и слабым ветром (самая стабильная ситуация). Следовательно, только зимние дни с безоблачной атмосферой и слабым ветром будут по-настоящему являться "слепыми" для проектируемого ИКР. По данным ТСХА (Тимирязевская сельскохозяйственная академия) для Москвы и центральной европейской части России на указанный "слепой" период приходится 14 ясных дней, т.е. 4 % всей длительности года. Остальной же период (96%) можно считать пригодным для эксплуатации системы за счет присутствия облаков, осадков и аэрозольных образований в нижней приземной атмосфере. Т.е. система измерения ветра на базе РЛС, обладающей указанными в настоящей работе параметрами, должна обеспечивать регистрацию сигналов в 96% метеоситуаций в году.

В последнем разделе главы предложена функциональная схема ИКР. Для реализации потенциала и высотного разрешения 30м требуется зондирование атмосферы импульсами длительностью тимп=0.5мкс с частотой повторения ^овт=25кГц. В работе предлагается квадратурная схема регистрации знака скорости, которая частично реализуется аппаратно, а частично программно при обработке сигналов.

В конце главы на основе анализа физических принципов формирования радиолокационного сигнала, отраженного от различных метеообразований, обоснованы основные параметры метеорологической РЛС ветрового зондирования, обеспечивающей надежное измерение ветра до высот 1000м в широком диапазоне метеоусловий (96% всех случаев):

- длина волны зондирующего излучения /„=8мм;

- метеорологический потенциал радиолокатора П=0.67-103[Вт-м3]; диаметр антенны - 1м;

- длительность импульса тИМп=0.5мкс; частота повторения импульсов ГПОЕТ=25кГц;

- средняя излучаемая мощность Р(=25Вт; диаметр антенны D=1m;

- квадратурная система определения знака скорости движения рассеивателей;

- уровень "боковых лепестков" -ЗОдБ на излучение и -бОдБ на излучение/прием;

- частота дискретизации АЦП 2.5МГц на каждый канал;

- динамический диапазон АЦП и 70дБ.

Третья глава настоящей диссертации отражает методику измерений ветра, алгоритмы обработки полученных данных и процедуру восстановления высотного профиля ветра. Во вводной части третьей главы рассмотрен принцип измерения ветра с применением импульсно-когерентного радиолокатора (ИКР). Отмечено, что отражатели, увлекаемые ветром, формируют радиоэхо, которое принимается той же антенной с некоторой задержкой тмд относительно момента излучения импульса. Измерение и оцифровка таких сигналов по мере распространения импульса, накопление серии импульсов в течение нескольких секунд позволяет получить матрицу данных, содержащую всю информацию о профиле ветра вдоль луча. Для каждой дальности по первым моментам доплеровских спектров можно определить профиль проекций скорости рассеивателей на направление зондирования. Совместная обработка данных, полученных с нескольких направлений зондирования, позволяет восстановить высотные профили скорости ветра V(H) и направления ветра а(Н) с высоким пространственным разрешением.

В разделе 3.1 подробно обсуждены различные модели формирования радиоэхо. Предполагается, что радиоэхо формируется от большого числа рассеивателей, которые расположены в пространстве случайным образом. С другой стороны рассеивателей не слишком много, так что при формировании сигнала достаточно рассматривать однократное рассеивание на частицах.

Метод "круговых диаграмм" и моделирование прямой задачи описаны в разделе 3.2. Метод опирается на методику VAD (velocity azimuth display), предложенную Атласом Д., в которой проводится непрерывное круговое азимутальное сканирование пространства. Основой предложенной методики является проведе-

ние азимутального "разреза" пространства, при фиксированном угле места р и переменном азимуте зондирования а, который изменяется по кругу с некоторым шагом Да.

Предполагается, что поле ветра можно считать слоисто-однородным и стационарным в течение всего времени измерений, При усреднении поля ветра на площади в несколько км2 средний масштаб вертикальных движений составляет не более несколько см/сек. Однако орография земной поверхности влияет на поле ветра в приземном слое и вызывает нарушение его слоистости. Поэтому при измерении ветра необходимо проводить осреднение данных не только во времени, но и в пространстве. Такую возможность предлагает метод "круговых диаграмм".

При рассмотрении метода "круговых диаграмм" использовалось соотношение, связывающее проекции скорости движения рассеивателей на направление зондирования с вектором ветра, а также со скоростью гравитационного падения рассеивателей и направлением луча:

У(УВ, ав, а, Р,УГ, ДУ)=Ув-со5(а-ав)-созр+Уг-8тр+АУ, (2)

где Ув - модуль скорость ветра; ав - направление ветра; Н - высота зондирования; а - азимут зондирования; р - местный угол зондирования; Уг - модуль скорости гравитационного падения рассеивателей; ДУ - слагаемое, учитывающее пульсации ветра, турбулентность и т.д.

На основе выражения (2) проводилось моделирование прямой задачи - получение круговых диаграмм при различных параметрах ветра, скорости гравитационного падения и турбулентности.

В разделе 3.3 предложена и обоснована методика проведения измерений ветра по 12 направлениям с шагом по азимуту Да=30°. Ограничения по количеству направлений зондирования, с одной стороны, обусловлены ограниченным временем полного цикла измерения, а, с другой стороны, требованием к надежности и точности регистрации ветра. Местный угол зондирования Р выбирается из следующих факторов. С уменьшением Р уменьшается вклад вертикальных движений, что повышает точность измерения скорости ветра. С другой стороны, при этом

снижается высота зондирования. Оценки показали, что оптимальным диапазоном углов 3 является Р=25°...30°.

В разделе 3.4 диссертации рассмотрен алгоритм регистрации данных, процедура записи и обработки радиолокационных данных. Отмечено, что быстродействующий АЦП должен регистрировать "мгновенную" фазу сигнала для 50-ти различных дальностей, отстоящих друг от друга на расстоянии ДК=с/(2-Гдцп). При частоте АЦП Гацп=1-25МГц ДЯ составляет 120м дальности или, при Р=30°, АН=60м по высоте. Полная дальность зондирования составляет 6000м, а частота повторения импульсов Гпоет=25кГц.

Регистрация последовательности импульсов на каждой дальности позволяет сформировать доплеровский сигнал в виде двумерной матрицы (высотахвремя). Описаны процедуры получения спектров с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), методика цифрового поворота фазы одного из каналов на л/2, процедуры сглаживания, накопления и нормировки сигналов по мощности и спектральная нормировка по шумам. На рисунке 2 представлены результаты обработки спектров для одного из каналов.

8»» Г

Рисунок 2 -Результаты спектральной обработки данных натурных измерений а) исходный спектр; б) сглаженный и усредненный спектр; в) результат нормировки по шумам

Из рисунка 2в видно, что спектральная нормировка по шумам позволяет регистрировать доплеровскую частоту как глобальный экстремум спектра мощности. Степень превышения максимума над шумами учитывается в виде коэффициента достоверности результата измерения. В результате обработки всех данных матрицы получается высотный профиль проекции скоростей V^(H¡), где ^=1 ...12, ¡=1 ...50, для каждого из 12 направлений зондирования.

На следующем этапе для каждой i-ой высоты (i=1...50) формируется невязка:

H(V,,a„)=¿[vt - V. • cos(a5 - a.)-cos(p)+ Vr ■ sin(p)J • Dv, (3)

и

где N - число направлений зондирования (при полном обороте N=12); V„, а„ - искомые параметры ветра, соответствующие минимуму невязки; а^, V^ - азимут зондирования и соответствующая проекция скорости ветра; Dv^ - показатель достоверности измерения на данном направлении зондирования; Vr- скорость гравитационного падения, определяемая на основе анализа спектров, полученных при зондировании в противоположные направлениях.

Минимизация невязки по параметрам V„ и аа методом "градиентного спуска" позволяет получить значения модуля скорости ветра V, и его азимут а„ для каждой высоты H¡. Так восстанавливается высотный профиль ветра в виде функций VB(H) и ав(Н).

В разделе 3.5 проводилось математическое моделирование устойчивости решения обратной задачи минимизации невязки в различных условиях: при ограниченном количестве направлений зондирования, при различных уровнях ошибки измерений, обусловленных турбулентностью и другими факторами. Моделирование показало устойчивость решений даже для невязки, сформированной из трех направлений зондирования, и турбулентности на уровне ДУ=2м/с. При этом сред-неквадратическое отклонение восстановленных параметров ветра от модельных составило: по скорости Оу=0.4м/с, а по азимуту оа=6°.

В разделе 3.6 проведена оценка погрешностей радиолокационных измерений параметров ветра методом "круговых диаграмм". Учтены нестабильность параметров аппаратуры, поля отражателей и самого поля ветра, турбулентность, погрешности позиционирования радиолокатора, ошибки оцифровки данных и их об-

работки. С учетом всех факторов получено, что погрешность измерения высоты составляет величину порядка ДН=23м, погрешность измерения модуля скорости ветра ДУ=1.8м/с, погрешность измерения азимутального направления ветра не хуже Да=11.2°. Показано, что проведенные оценки погрешностей являются оценками сверху, которые обеспечиваются при получении достоверных измерений всего по двум направлением зондирования. В случае обеспечения шести достоверных измерений из двенадцати, оценки погрешностей снижаются до величин: ДН=9.5м, ЛУ=0.74м/с и Да=7.0°. При полном наборе из двенадцати достоверных измерений погрешности снижаются до величин: ДН=6.7м, ДУ=0.5м/с и Да=4.9°.

В конце главы 3 кратко изложены основные результаты и выводы по методике измерений, алгоритму обработки данных и погрешностям измерений.

В четвертой главе настоящей работы отражены результаты лабораторной апробации разработанных методик и алгоритмов. В период 2001-2002гг. на базе ЦАО (г. Долгопрудный) был проведен анализ возможностей серийно выпускаемого импульсного когерентного радиолокатора 1РЛ133 и проведена его модернизация с целью использования для регулярных ветровых измерений. Техническая модернизация отражена в разделе 4.1. Модернизация включала создание и калибровку измерительного канала дальности. Дополнительно был создан интерфейс сопряжения радиолокатора с ПЭВМ, в который вошли фильтры, АЦП и программное обеспечение. Проведенная модернизация позволила использовать макет ветровой РЛС для экспериментальных измерений поля ветра в осадках любого рода и различной интенсивности.

В разделе 4.2 описана последовательность настройки оборудования и рассмотрены все этапы отработки методики измерения и алгоритмов обработки и восстановления высотного профиля. Алгоритмы реализованы в специальном программном обеспечении, рабочие экраны которого описаны в разделе 4.3 данной главы. Интерфейсы программного обеспечения макета отражены на рисунках 3 и 4. Программное обеспечение позволяло в реальном времени записывать в оперативную память доплеровские данные и данные о дальности, а экранный интерфейс (см. рисунок 3) контролировал форму сигнала и текущий спектр на выбранной

дальности. Кроме того, программа позволяла обрабатывать накопленные файлы данных в любой последовательности после завершения измерений. Окончательный вид данных представлен на рисунке 4 в виде высотных профилей модуля скорости ветра У(Н) и направления ветра а(Н). Дополнительно для визуального контроля на выбранной высоте прописывался азимутальный разрез и восстановленный вектор скорости. Особенности алгоритмов таковы, что их легко использовать в системах, работающих на любой другой длине волны. Таким образом, в главе 4 отражены результаты проверки принципов доплеровских измерений скорости ветра, методик измерений и алгоритмов на базе специального макета, созданном на базе ИКР 1РЛ133. На созданном макете в течение двух лет были отработаны как методика проведения измерений методом "круговых диаграмм", так и основные приемы, и алгоритм обработки измерительных данных, описанные в главе 3.

jlV.ni»»» 1

■Гиццип.щ .11,1 I Ijpi4.ni.ll М 1>1Ч |?2 "зд

Ур' ^ЙЙЭЧ^ Г^^^®' ..... г^ЙЛ^ЛЭД* ¿¿1

Щ О А21ОАТ Да --'

ЩЩ.

с*» >»< соссж» *х оЛроооеоЬ керхмх

» Оккм V Оааажаямв ¡»»¡»««»»««им«

¿Г":">' ш л ча'

т

Рисунок 3 - Интерфейс настроек и подключения файлов данных

Данный этан работы обеспечил получение неоценимого опыта ветровых измерений с помощью импульсных РЛС. Позволил отработать методику, которая использовалась нами при проектировании и создании высокопотецциалыюй ветровой РЛС, предназначенной для работы в широком диапазоне метеоусловий.

Пятам глава настоящей диссертации отражаем результаты натурных испытаний макета 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, созданного в рамках 11ИОКР "Механизм" совместно с 1IKbA (г. Тула). 11ри реализации данного макета были максимально учтены требования к аппаратной и программной частям измерительного комплекса, отраженные в i лавах 2 и 3. соответственно. Натурные сравнительные испытания проводились на полигоне ФГУП "Meгеоприбор'" в г. Обнинск. При этом проводилось сравнение резу льтатов радиолокационных измерений с данными анемометров, расположенных на разных ярусах высотной вышки. 15 рамках данного эксперимента была поставлена задача осуществить испытания созданного макета 8мм ветровой ИКС и определить погрешность радиолокационной") измерения ветра при различных условиях. Сравнения проводились для разных ярусов метеовышки в диапазоне высот до 300м (определяется высотой

вышки). При проведении данного эксперимента в натурных условиях были проверены как методика измерений, так и математическое обеспечение, описанные в главе 3 настоящей диссертации. На рисунке 5 представлены результаты сравнения измеренных значений скорости и направления ветра, полученные с помощью вышки и ИКС в течение 8 сентября 2004г на отдельно взятых высотах (позициях анемометров на метеовышке).

■ ♦V

1

•

■ ,-*

2 3 4 5 Умлчта, м с

• • <t>

201м Я 180

■ ■ с

280м ¡а

♦ ♦ & Ш

к 60

0

* /

iy

60 120 180 240 300

направление мачта, град.

Рисунок 5 - Результаты сравнительных испытаний макета ИКР и 300м метеовышки в г. Обнинск в 2004г.

Сравнение результатов (см. рисунок 5) показало, что среднеквадратическое отклонение результатов определения модуля скорости разными средствами составило 0.973м/с, а направления ветра, соответственно, 2°. Полученные различия находятся в пределах погрешности сравниваемых методов, что подтверждает надежность и точность измерения ветра в атмосфере радиолокационными средствами.

По результатам всех натурных экспериментов были сделаны выводы, главным из которых является то, что доказана возможность создания малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены как правильность выбора длины волны радиолокатора, так и расчеты его энергетического потенциала, подтверждены методика измерений и обработки измерительной информации.

III. В заключении диссертации приводятся основные результаты работы и выводы

1) В результате анализа существующих методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере в качестве основы малогабаритного измерителя ветра

19

был обоснован выбор импульсно-когерентной РЛС миллиметрового диапазона длин волн.

На основе анализа различных метеоситуаций и рассевающих свойств метеообъектов обоснована длина волны РЛС, энергетический потенциал метеолокатора, требования к антенной системе и другие требования к облику импульсной РЛС, обеспечивающей измерение ветра в пограничном слое атмосферы практически в любых погодных условиях (более 90% возможных метеоситуаций).

Разработана и обоснована методика проведения измерений ветра с помощью импульсных РЛС, в том числе в условиях слабых сигналов и неустойчивой регистрации отраженных сигналов. Разработан новый алгоритм математического обеспечения РЛС всепогодного ветрового зондирования атмосферы, отработанный как в режиме компьютерного моделирования, гак и в натурных условиях, создано математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.

Создан макет 18мм импульсно-когерентного радиолокатора, на котором были экспериментально отработаны как методика проведения измерений методом "круговых диаграмм", так и основные приемы, и алгоритмы обработки принятых сигналов. Опыт двухлетней эксплуатации макета в натурных условиях лег в основу предложений МГУПИ при разработке технического задания и создания макета всепогодной малогабаритной доплеровской 8мм РЛС. На макете 8мм РЛС, созданном в ЦКБА, г. Тула, проведены совместные натурные измерения и получены экспериментальные данные, которые подтвердили возможность проведения ветровых измерений в широком диапазоне метеоусловий. Экспериментально подтверждена эффективность разработанных методик измерений и обработки измерительной информации. Показано, что повышение потенциала станции, например, за счет увеличение размеров антенны до Зм, а также уменьшение мертвой зоны, позволят повысить информационные возможности комплекса и довести обеспеченность измерений до 98% метеослучаев.

Таким образом, достигается цель данной диссертационной работы - обоснование и создание малогабаритной системы ветрового зондирования атмосферы работающей в широком диапазоне метеоусловий.

IV. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Кононов М.А. Алгоритм и методика измерения ветра в пограничном слое атмосферы импульсно-когерентной РЛС. / Научный вестник МГТУ ГА №117 / серия "Радиофизика и радиотехника". - М.: МГТУ ГА. 2007г.

2) Кононов М.А., Стерлядкин В.В. Расчет потенциала и оценка возможностей ветровой метеорологической РЛС мм диапазона длин волн. / Научный вестник МГТУ ГА №158 / серия "Радиофизика и радиотехника". - М.: МГТУ ГА. 2010г.

3) Кононов М.А., Петухов Д.Б., Стерлядкин В.В. Выделение тонкой структуры отраженного радиолокационного сигнала, пригодного распознавания движущихся объектов. / Научный вестник МГТУ ГА №158 / серия "Радиофизика и радиотехника". - М.: МГТУ ГА. 2010г.

4) Kononov М.А., Sterlyadkin V.V., Lobanov D.V. Testing of the Doppler tomography methods by radar sounding of wind fields. / ERAD 2002, Delft, Nederland, 2002r.

5) Кононов M.A., Лобанов Д.В., Стерлядкин B.B., Чистовский К.Г. Моделирование метода доплеровской томографии на основе данных импульсно-когерентной РЛС. / Труды XX и XXI Всероссийских симпозиумов "Радиолокационное исследование природных сред", выпуск 3. - СПб.: BKA им. Можайского, 2003г.

6) Кононов М.А., Прудывус A.B., Стерлядкин В.В. О возможности создания малогабаритного всепогодного измерителя ветра. / Труды XXV Всероссийского симпозиума "Радиолокационное исследование природных сред". - СПб.: 2007г.

7) Кононов М.А., Стерлядкин В.В. Разработка алгоритма работы и математического обеспечения малогабаритной ветровой РЛС. / Труды XXV Всероссийского симпозиума "Радиолокационное исследование природных сред". - СПб.: 2007г.

8) Кононов М.А., Стерлядкин В.В. Оценка эффективности расчетного метеорологического потенциала ветровой доплеровской РЛС / Труды IV Всероссийская научная школа и конференция "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред", электронный сборник (на CD-ROM). - Муром: МИ ВлГУ,

9) Евлашкин P.A., Кононов М.А., Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г., Цопов A.A. Разработка математического обеспечения для РЛС ветрового зондирования атмосферы. / Труды XV Международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", тез. доклада, Алушта: 2006г.

10)Кононов М.А., Самохина М.В., Стерлядкин В.В. Оценка эффективности расчетного потенциала ветровой доплеровской РЛС. / Труды XVIII Международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", тез. доклада, Алушта:

2009г.

2009г.

Соискатель:

/ Кононов М.А.

Кононов Михаил Александрович

Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы

Подписано в печать 05.05.2010 формат 60x84 усл. печ. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ №7 Мини-типография "Копировальный Ризо-центр" 141300, Московская область, г. Сергиев-Посад, ул. Вознесенская, д.55

Введение.

Глава 1 Обзор методов и средств ветровых измерений в атмосфере.

1.1 "Контактные" методы измерения параметров ветра.

1.1.1 Анемометры.

1.1.2 Шар-зонды.

1.2 Дистанционные методы определения параметров ветра.

1.2.1 Акустические методы.

1.2.2 Радиоакустические и оптико-акустические методы.

1.2.3 Оптические методы.

1.2.4 Радиолокационные методы.

1.3 Выводы по главе 1.

Глава 2 Разработка требований к параметрам и расчет метеорологического потенциала радиолокационной измерения ветра в атмосфере в различных метеоситуациях

2.1 Радиолокационные отражения от диэлектрических неоднород-ностей.

2.2 Радиолокационные отражения от облаков, осадков и аэрозолей.

2.3 Обоснование выбора длины волны излучения ветровой PJIC.

2.4 Расчет требуемого метеорологического потенциала ветровой РЛС.

2.5 Оценка эффективности ветрового импульсно-когерентного радиолокатора при заданном расчетном метеорологическом потенциале

2.6 Формирование требований и разработка схемы РЛС.

2.7 Выводы по главе 2.

Глава 3 Разработка методики измерений, алгоритмов обработки данных и восстановления профиля ветра.

3.1 Модели формирования сигнала.

3.2 Метод "круговых диаграмм".

3.3 Методика проведения измерений.

3.4 Алгоритм обработки измерительных данных, полученных по методу "круговых диаграмм".

3.5 Анализ устойчивости метода "круговых диаграмм" методами математического моделирования.

3.6 Оценка погрешности измерения параметров ветра по методу "круговых диаграмм".

3.7 Выводы по главе 3.

Глава 4 Проверка методики измерения, отработка алгоритмов и программного обеспечения на макете 18мм ИКР.

4.1 Измерительный комплекс на базе 18мм ИКР 1PJ1133.

4.2 Настройка оборудования и модернизация алгоритма.

4.2.1 Определение градуировочной характеристики канала дальности.

4.2.2 Анализ измерительных сигналов и выработка предложений по модернизации комплекса и алгоритма.

4.2.3 Определение нормировочного спектра шумов системы.

4.3 Описание программного обеспечения.

4.4 Выводы по главе 4.

Глава 5 Натурные данные измерения ветра с помощью 8мм ИКР.

5.1 Испытания макета 8мм ветрового ИКР в ЦКБ А.

5.2 Сравнительные измерения ветра на макете 8мм ИКР и метеовышке (г. Обнинск).

5.3 Выводы по натурным измерениям.

Содержание работы. Во введении отражена актуальность работы. Осуществляется постановка задач и приводится характеристика работы.

В первой главе представлен обзор методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере. Обзор отражает достоинства и недостатки, характерные различным методам и группам измерителей ветра. В классификации выделены две группы - контактные и бесконтактные методы и средства измерения ветра. Первая группа представлена в виде зондовых средств и рядом анемометров с различными принципами действия. Вторая группа отражает применение волн различной природы для измерения параметров ветра. Выделяются акустические, оптические, радиоакустические, акустооптические и радиолокационные методы и средства измерения параметров ветра. Из всего многообразия средств измерения параметров ветра на основе анализа достоинств и недостатков, в основном по "погодным" ограничениям, как наиболее перспективные особо отмечены радиолокационные средства. В разработке предложено применять радиолокационный метод измерения, а в основу создаваемого измерительного комплекса заложить доплеровский импульсно-когерентный радиолокатор (ИКР).

Вторая глава настоящей работы посвящена разработке схемы РЛС и формирования требований к параметрам и облику ИКР ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы. Ключевыми параметрами ветрового ИКР являются длина волны и энергетический потенциал. На основе анализа многообразия атмосферных рассеивателей - источников отраженных сигналов, увлекаемых ветром и несущих информацию о поле его скоростей, а таюке зависимости удельной радиолокационной отражаемости данных рассеивателей от длины волны и требований малогабаритности выбран миллиметровый диапазон длин волн радиоизлучения. Учет прозрачности атмосферы, а также степени технологического освоения позволил уточнить выбор длин волн на участке 8мм. Классификация отражателей в зависимости от погодных условий и учет их отражающих свойств в 8мм диапазоне длин волн позволили сформировать и обосновать требования к метеорологическому потенциалу ИКР. Оценки показали, что для обеспечения 99% всепогодности требуемый о метеорологический потенциал составляет 670Вт-м . Реально достижимый потенциал для малогабаритной РЛС оказался существенно меньше и составил около 80 Вт-м3. Реализация такого потенциала позволит регистрировать отраженный сигнал от слабой турбулентности с интенсивностью

1 с. 0/1

С,Г=340 м~~ на расстоянии 1000м. При этом минимальная мощность регистрируемого сигнала составит около 4-10 Вт. Оценка показала, что практическая реализация данного потенциала позволит обеспечить ветровой измерительной системе работоспособность в 96% погодных случаев. Для реализации потенциала требуется диаметр антенны Daiit=lm, а излучаемая мощность - на уровне 25Вт. Для реализации требуемого высотного разрешения 30м потребуется зондирование атмосферы импульсами длительностью т1ШП=0.5мкс с частотой повторения £П0ПТ=25кГц. Обязательным элементом измерительной системы для реализации алгоритмов обработки является система распознавания знака скорости движения рассеивателей. Предложена квадратурная схема такой системы. Сформированы требования к антенной системе, приемно-передающему тракту, АЦП. Сформирована структурная схема ИКР.

Третья глава диссертации отражает методику измерений ветра, алгоритмы обработки измерительной информации и восстановления высотного профиля ветра. В основе метода измерений лежат принципы непрерывного кругового азимутального сканирования пространства. Однако требования к оперативности измерительной системы, которые предъявляются потенциальными потребителями, например авиацией, потребовали другой методики измерений. Взамен непрерывного азимутального сканирования предложено дискретное с шагом по азимуту в 30° (12 измерений на полный круг). Предложенный метод получил название метод "круговых диаграмм". Данный метод подразумевает слоистую однородность ветрового поля. Орография земной поверхности влияет на поле ветра в приземном слое и вызывает нарушение его слоистости. Поэтому при измерении ветра необходимо проводить осреднение данных не только во времени, но в пространстве. Такую возможность как раз и предлагает метод "круговых диаграмм".

В каждом направлении зондирования в результате измерений регистрируется свой высотный профиль проекции поля скорости ветра на данное направление. Набор таких высотных профилей проекции поля ветра приводится к некоторому условному или стандартному ряду высот путем линейной интерполяции по имеющимся измерительным точкам профилей. На каждой конкретной высоте формируется картина горизонтального среза из 12-ти точек - проекций поля ветра, которая получила название "круговая диаграмма". Совместная обработка данных 12-ти точек "круговой диаграммы" осуществляется методом невязки, минимизация которой осуществляется по параметрам вектора ветра (модуль ветра V и его направление а). Параметры, удовлетворяющие минимуму невязки, принимаются за значения вектора ветра на данной высоте. Т.о. можно оценить высотный профиль ветра. Точки диаграммы участвуют при составлении невязки с учетом специальных весовых коэффициентов. Данные коэффициенты определяются на этапе получения профилей проекций по соотношению "сигнал/шум".

Каждый профиль проекции скорости ветра получается в результате специальной спектральной обработке радиолокационных сигналов. Идентификация проекции скорости движения рассеивателей на каждое направление зондирования осуществляется путем выделения доплеровской частоты в сигнале с выхода квадратурной системы ИКР. Выделение доплеровской частоты осуществляется по первым моментам спектров мощности. Доплеровский спектр мощности формируется по двум спектрам квадратурных сигналов, которые далее подвергаются специальной обработке (сглаживанию, нормированию, накоплению). Такая специальная обработка в дальнейшем обеспечивает выделение первых моментов спектра в автоматическом режиме. Уровень превышения первого момента спектра над уровнем шумов (соотношение "сигнал/шум") определяется уровень достоверности результата, который затем используется в качестве весового коэффициента в невязке. Контроль достоверности необходим в условиях "слабых" сигналов, например в условиях работы по ОЯН.

В данной главе проводились оценка погрешностей метода измерений и математическое моделирование устойчивости решения обратной задачи -минимизации невязки в различных условиях ограниченного количества направлений зондирования и при различных уровнях ошибки измерений, обусловленных турбулентностью и другими факторами. Моделирование показало устойчивость решений даже при невязке, сформированной из трех направлений зондирования. Оценка погрешностей метода "круговых диаграмм" учитывала: нестабильность параметров аппаратуры, поля отражателей и поля ветра; турбулентность ветра; погрешности позиционирования радиолокатора, оцифровки данных и их обработки. С учетом всех этих факторов получены следующие оценки среднеквадратичных погрешностей радиолокационных измерений профиля ветра: погрешность измерения высоты составляет величину порядка АН=23м, погрешность измерения модуля скорости ветра составляет величину AV= 1.8м/с, погрешность измерения азимутального направления ветра не хуже Аа=17.2°. Показано, что проведенные оценки погрешностей являются оценками сверху, которые обеспечиваются при получении достоверных измерений всего по двум направлением зондирования. В случае обеспечения шести достоверных измерений из двенадцати оценки погрешностей снижаются до величин: ДН=9.5м, AV=0.74m/c и Да=7.0°. При полном наборе из двенадцати достоверных измерений значения оценки погрешностей снижаются до величин: АН=6.7м, AV=0.5m/c и Аа=4.9°.

Четвертая глава настоящей работы описывает процесс формирования и отработки методики измерения и алгоритмов обработки информации в натурных условиях. Рассматривается модернизация и адаптация к ветровым измерениям 18мм серийного радиолокатора типа "Кредо" (1PJI133). Модернизация коснулась в первую очередь системы селекции по дальности, а во-вторых, системы сбора данных и сопряжения с ПЭВМ.

В данной главе на основе двухлетнего опыта эксплуатации системы в различных метеорологических условиях рассмотрены все этапы формирования методики измерений, алгоритмов обработки данных и процедуры восстановления высотного профиля. Алгоритмы реализованы в специальном программном обеспечении, рабочие экраны которого предложены в данной главе. Особенности алгоритмов легко позволяют их использовать в системах, работающих на любой другой длине волны.

Пятая глава диссертации отражает результаты натурных испытаний макета 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, созданного в рамках НИОКР "Механизм" совместно с ЦКБА (г. Тула). При реализации данного макета были максимально учтены требования к аппаратной и программной частям измерительного комплекса, отраженные в главах 2 и 3, соответственно. Натурные сравнительные испытания проводились на полигоне ФГУП "Метеоприбор" в г. Обнинск. При этом проводилось сравнение результатов радиолокационных измерений с данными анемометров, расположенных на разных ярусах высотной вышки. В рамках данного эксперимента была поставлена задача - осуществить испытания созданного макета 8мм ветровой ИКС и определить погрешность радиолокационного измерения ветра при различных условиях. Сравнения проводились для разных ярусов метеовышки в диапазоне высот до 300м (определяется высотой вышки). При проведении данного эксперимента в натурных условиях были проверены как методика измерений, так и математическое обеспечение, описанные в главе 3 настоящей диссертации. Сравнение результатов показало, что среднеквадратиче-ское отклонение результатов определения модуля скорости разными средствами составило 0.973м/с, а направления ветра, соответственно, 2°. Полученные различия находятся в пределах погрешности сравниваемых методов, что подтверждает надежность и точность измерения ветра в атмосфере радиолокационными средствами.

По результатам всех натурных экспериментов были сделаны выводы, главным из которых является то, что доказана возможность создания малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены как правильность выбора длины волны радиолокатора, так и расчеты его энергетического метеорологического потенциала, подтверждены методика измерений и обработки измерительной информации.

На защиту выносятся основные результаты диссертации, приведенные в заключении.

5.3 Выводы по натурным измерениям

По результатам всех натурных экспериментов можно сделать ряд выводов, главным из которых является то, что в принципе решен вопрос по созданию малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены правильность выбора длины волны радиолокатора, оценки его энергетического потенциала, методик проведения измерения и обработки измерительной информации.

С помощью 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, выбранного в качестве основы измерительной системы, были получены сигналы, пригодные для выделения ветровой информации, в условиях "ясного неба" и при отсутствии осадков. Спектры сигналов от ясного неба представлены на рисунках 5.6, а восстановленный профиль в слое 500м на рисунке 5.5. На данных спектрах отчетливо видно то, что уровень "полезного" сигнала допле-ровской частоты превышает уровень шумов на ЗдБ и более. Этого оказалось достаточно для выполнения операций по выделению в радиолокационном сигнале доплеровской частоты и, соответственно, скорости воздушных потоков в автоматическом режиме.

На некоторых спектрах, полученных в условиях осадков, отмечено появление несколько максимумов, (см. рисунки 5.2). Вызваны они рядом причин:

Во-первых, тем, что в широком слое осадков радиолокатор с заданными параметрами способен регистрировать отражения, пришедшие с нескольких дальностей (от нескольких импульсов). Однако интенсивность сигналов от дальних импульсов существенно меньше основного сигнала и на распознавание практически не влияет.

Во-вторых, сказывается несовершенство регистрации и оцифровки сигнала. Как следствие нелинейности системы на разных уровнях (приемный тракт, АЦП и т.д.) возникают модуляционные "разностные", а также кратные им частоты. Отметим, что чем выше уровень "полезного" доплеровского сигнала, тем выше будут паразитные модуляционные составляющие, связанные с нелинейностью системы.

В-третьих, причиной дополнительных максимумов в спектрах, могут являться отражения от движущихся посторонних объектов, например, птиц или наземных движущихся объектов. Однако отметим кратковременность данного явления, т.к. объект быстро пересекает луч.

По результатам натурных измерений можно сделать ряд рекомендаций, как по аппаратной части, так и по методикам проведения измерений и обработки данных:

Во-первых, для повышения потенциала станции целесообразно использовать антенну диаметром не менее 1м. Это позволит снизить также и уровни боковых лепестков.

Во-вторых, целесообразно не фиксировать угол места (3, а выполнять его переменным. Это позволит расширить диапазон измеряемых высот как в нижнюю сторону (при малых (3), так и в сторону поднятия высоты при слабых сигналах и выборе больших значений местного угла р.

В-третьих, важным фактором является синхронизация оцифровки в обоих каналах АЦП.

В-четвертых, при слабых уровнях сигнала целесообразно изменять методику измерений и проводить измерения в двух-трех направлениях зондирования, но обязательно с более длительным накоплением сигналов.

Пятая рекомендация относится к введению процедуры выбраковки заведомо ложных спектров. Это относится к попаданию в луч ИКР птиц, к появлению мощных наводок, например, от систем мобильной связи, или за счет попадания движущихся наземных объектов в боковые лепестки диаграммы направленности антенной системы. Методика такой отбраковки уже обсуждалась в главе 3 и заключается в повторяемости итераций обработки.

Заключение

Результат комплекса теоретических и экспериментальных работ, выполненных в настоящей диссертации, заключается в разработке требований к параметрам измерительной аппаратуры, а также в создании методики измерений и алгоритмов обработки измерительной информации, которые позволили создать малогабаритный радиолокационный комплекс ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы в широком спектре метеоусловий. В результате проделанной работы получены следующие основные выводы и результаты:

1. В результате анализа существующих методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере в качестве основы малогабаритного измерителя ветра был обоснован выбор импульсно-когерентной PJIC миллиметрового диапазона длин волн.

2. На основе анализа различных метеоситуаций и рассевающих свойств метеообъектов обоснована длина волны PJIC, метеорологический энергетический потенциал, требования к антенной системе и другие требования к облику импульсной РЛС, обеспечивающей измерение ветра в пограничном слое атмосферы практически в любых погодных условиях (более 90% возможных метеоситуаций).

3. Разработана и обоснована методика проведения измерений ветра с помощью импульсных РЛС, в том числе в условиях слабых сигналов и неустойчивой регистрации отраженных сигналов. Разработан новый алгоритм математического обеспечения РЛС всепогодного ветрового зондирования атмосферы, отработанный как в режиме компьютерного моделирования, так и в натурных условиях, создано математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.

4. Создан макет 18мм импульсно-когерентного радиолокатора, на котором были экспериментально отработаны как методика проведения измерений методом "круговых диаграмм", так и основные приемы, и алгоритмы обработки принятых сигналов. Опыт двухлетней эксплуатации макета в натурных условиях лег в основу предложений МГУПИ при разработке технического задания и создания макета всепогодной малогабаритной доплеровской 8мм PJIC.

5. На макете 8мм PJIC, созданном в ЦКБ А, г. Тула, проведены совместные натурные измерения и получены экспериментальные данные, которые подтвердили возможность проведения ветровых измерений в широком диапазоне метеоусловий. Экспериментально подтверждена эффективность разработанных методик измерений и обработки измерительной информации.

6. Показано, что повышение потенциала станции, например, за счет увеличение размеров антенны до Зм, а также уменьшение мертвой зоны, позволят повысить информационные возможности комплекса и довести обеспеченность измерений до 98% метеослучаев.

Таким образом, достигается цель данной диссертационной работы — обоснование и создание малогабаритной системы ветрового зондирования атмосферы работающей в широком диапазоне метеоусловий.

Результаты расчета и обоснования энергетического потенциала и облика 8-ми миллиметровой импульсной PJIC использовались 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ЦКБА, г. Тула при создании макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы в рамках выполнения НИР "Механизм-РВО" и ОКР "Механизм-М". Разработанная методика измерений ветра, а также алгоритмы обработки радиолокационных сигналов нашли применение при выполнении ОКР "Механизм" в ЦКБА, г. Тула; 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ФГУП "Радиозавод", г. Москва.

В заключении считаю приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю профессору В.В. Стерлядкину и профессору А.Г. Горелику за постоянное внимание к работе, всестороннюю оказанную помощь и полезные обсуждения, а также А.С. Глущенко и К.Г. Чистовскому за участие в экспериментах и в разработке программного обеспечения.

1. Говорушко С.М. Влияние природных процессов на человеческую деятельность. Владивосток: Дальневосточное отделение РАН, Тихоокеанский институт географии, 1999г;

2. Прогудина Т.М. Авиация и метеорология. http://pogoda.nsk.su Погода в

3. Сибири. Лента новостей. ГУ Новосибирской ЦГМС-РСМЦ

4. Джордж Дж. Прогнозы погода для авиации. — Л: Гидрометеоиздат, 1966г. —257с.

5. Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах.под ред. Л.П. Афиногенова и Е.В. Романова. — Л: Гидрометеоиздат, 1981г.-60с.

6. Качурин Л.Г. Методы метеорологических измерений. Л.: Гидрометеоиздат, 1985г.-456с.

7. Краткая история создания и развития методов и технических средств вертикального зондирования атмосферы http://www.cao.narod.ru / Сайт о системах дистанционного аэрологического зондирования

8. Юбилейный буклет к 60-летию Центральной Аэрологической Обсерватории. http://www.info.dolgopa.org/lybrary/03-24.htm / Сайт "Энциклопедия Долгопрудного"8. http://www.cao-rhms.ru ГУ "Центральная Аэрологическая Обсерватория"

9. Калистратова М. А., Кредер Й., Петенко И. В., Тиме Н. С. Опыт измеренияскорости ветра методом акустического зондирования. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. — с. 319-322.

10. Калистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. -М.: Наука, 1986г.

11. Клочков В.П., Козлов Л.Ф. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерференция. Киев: Наукова думка, 1985. - 760с.

12. Смирнов В. И., Тимофеев А. С. Труды МЭИ. Физ. Оптика, 1981, №519, -с. 41-47.i