Возможности расширения диапазона применения радиолокационных станций обзора летного поля в сложных метеоусловиях методами радиополяриметриии

УДК 621.396

ВОЗМОЖНОСТИ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ ОБЗОРА ЛЕТНОГО ПОЛЯ В СЛОЖНЫХ МЕТЕОУСЛОВИЯХ МЕТОДАМИ РАДИОПОЛЯРИМЕТРИИ

А.Д. ЯМАНОВ

Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.

Рассмотрены особенности рассеяния ЭМВ метеообразованиями, а также поляризационные характеристики метеообразований и объектов наблюдения в сложных метеоусловиях. Приведены рекомендации по расширению диапазона применения РЛС ОЛП в сложной метеообстановке методами радиополяриметрии.

Ключевые слова: радиополяриметрия, радиолокация, эксплуатация, метеообразования.

На современном этапе развития радиолокационных станций обзора летного поля (РЛС ОЛП) основной задачей является повышение качества радиолокационной информации. Высокая надежность, хорошая разрешающая способность РЛС ОЛП делают их весьма ценным инструментом для решения задач контроля и наблюдения в условиях недостаточной видимости [1, 2].

При плохой видимости, вызванной наличием метеообразований, эффективность работы РЛС резко падает, уменьшается дальность действия, на экране появляется большое количество посторонних засветок.

Физически ослабление электромагнитных волн миллиметрового диапазона связано с двумя причинами - с поглощением энергии и с ее рассеянием. Величина ослабления значительно колеблется в зависимости от размеров гидрометеоров и их формы, которые, в свою очередь, зависят от многих факторов - интенсивности дождя или снега, силы ветра, местных орографических и метеорологических условий.

Ослабление на волнах с длиной меньше 1 мм слабо зависит от частоты излучения. Для дождей с интенсивностью 1...5 мм/ч оно не превосходит 5 дБ/км с максимумом на 2-3 мм. Однако для однородных ливней с интенсивностью 25, 50 и 100 мм/ч максимальные величины ослабления составляют 10, 15,5 и 23 дБ/км соответственно. Максимальное значение ослабления в дождях имеет место на волнах 2-3 мм. В целом результаты теоретических расчетов ослабления в дожде в миллиметровом диапазоне удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными для распределения капель по размерам в соответствии с А. Бестом при ^=20°С [4].

Расчеты коэффициентов ослабления и рассеяния радиоволн в дожде показывают, что ослабление миллиметровых волн в дожде в равной степени обусловлено как поглощением энергии волны в объеме капель, так и дифракционным рассеянием падающей волны на каплях, причем это соотношение (между поглощением и рассеянием) практически не зависит ни от длины волны (в диапазоне ММВ), ни от интенсивности дождя, ни от спектра размеров капель. В диапазоне СМ волн ослабление определяется, главным образом, поглощением, а роль рассеяния падает с увеличением длины волны, с уменьшением интенсивности дождя и зависит от вида распределения капель по размерам [3].

Теоретические и экспериментальные исследования ослабления в туманах и облаках показывают, что на миллиметровых волнах ослабление в более мелких каплях в 5...10 раз меньше, чем в дождях. На сантиметровых и миллиметровых волнах размер капель в туманах намного меньше длины радиоволн, поэтому ослабление в туманах и облаках по сравнению с дождями невелико и не превышает 3...4 дБ/км [4].

Экспериментальные данные [5] дают следующие значения для затухания радиоволн миллиметрового диапазона: в тумане не более 0,9 дБ/км, при слабом дожде порядка 2,8...3,0 дБ/км, в сильном дожде до 10 дБ/км, при снегопаде - 2.4 дБ/км.

При наблюдении цели в сложных метеоусловиях отраженный сигнал уменьшается в тумане на 15. 20%, в слабом дожде на 30.38%, в сильном дожде - 35. 42%, в снегопаде -до двух раз.

Рассеяние и ослабление при затухании радиоволн на гидрометеорах при теоретическом описании характеризуются поперечным сечением рассеяния и коэффициентом поглощения [6]. Подобные упрощения приводят к неточности оценки интенсивности дождей; приближенные допущения о сферичности не позволяют достаточно эффективно решить задачу устранения мешающего воздействия дождя на работу РЛС ОЛП. Еще большие трудности возникают при расчете ослабления при снегопаде, поскольку форма снежинок и снежных хлопьев отличается от сферической и может сильно изменяться даже в одном и том же снегопаде [5].

Капли дождя имеют обычно форму, близкую к двуосному сплюснутому эллипсоиду, ось симметрии которого, как правило, расположена в вертикальной плоскости [7]. Два больших диаметра капли находятся соответственно в горизонтальной плоскости. При отсутствии сильного ветра капли дождя ориентированы в пространстве одинаково: они имеют больший размер в горизонтальной плоскости и меньший - в вертикальной. Основной характеристикой капель дождя выступает фактор формы q, равный отношению одного из диаметров к оси вращения [8].

В работе [8] показано, что хаотически расположенные несферические частицы рассеивают энергию значительно больше, чем равные им по объему сферические частицы. Это означает, что осадки, состоявшие из хаотически ориентированных несферических частиц, обладают большой радиолокационной отражаемостью. Особенно этот эффект сильно проявляется для снежных частиц.

При дифракции линейно поляризованных радиоволн на несферических частицах (капли дождя, града, снежинки и кристаллики льда), ориентированных под углом к плоскости поляризации волны, появляются компоненты излучения с поляризацией ортогональной к исходной, т. е. возникает кроссполяризация. Она является причиной уменьшения эффективности подавления помехи обратного рассеяния от гидрометеоров. С другой стороны, наличие этого эффекта позволяет повысить достоверность информации о фазовом состоянии гидрометеоров, их ориентации и функции распределений по размерам [9].

Основным средством борьбы с мешающими воздействиями метеообразований в существующих РЛС ОЛП («Алмаз», «Оредеж», А8БЕ-3, Л8ТЯЕ-2000, ТЕЯМЛ, «Атлантика») является использование круговой поляризации [2]. Однако практика эксплуатации РЛС ОЛП в подразделениях гражданской авиации показала низкую эффективность этого метода [5]. Использование круговой поляризации эффективно лишь в том случае, когда после отражения от метеообразований происходит изменение направления вращения электрического вектора электромагнитной волны, т.е. волна из поляризованной по правому кругу превращается в поляризованную по левому и наоборот. Такая идеальная ситуация возможна только в том случае, когда капли дождя представляют собой практически идеальные сферы, которые достаточно равномерно распределены в пространстве.

Если же дождь, туман, снег не могут быть описаны при помощи такой модели, то круговая поляризация перестает быть хорошим инструментом для подавления сигналов от метеообразований. В поляризационном базисе «левый круг» - «правый круг» - матрица

(0 А ^

рассеяния «идеального» дождя имеет вид: £ = .

IА0 У

По мере того, как нарушается сферичность частиц дождя и тумана, равномерность заполнения пространства, мгновенные значения матрицы рассеяния в этом поляризационном

поляризационная селекция, основанная на использовании круговой поляризации. При

ясно, что в одном из этих поляризационных базисов она будет минимальна. Это значит, что путем соответствующего выбора поляризационных характеристик антенны можно обеспечить наибольшее подавление сигналов, отраженных от метеообразований.

Для оценки ослабления миллиметровых волн в гидрометеорных преобразованиях, кроме знания соответствующих коэффициентов ослабления, необходимы дополнительные сведения о статистической повторяемости этих образований, а также данные об их пространственной структуре.

Экспериментально полученные статистические характеристики отраженных сигналов при отсутствии и наличии целей, наблюдаемых в сложных метеоусловиях [5], выявляют два класса задач обнаружения целей. Первый из них относился к ситуации, когда сигнал, отраженный от метеообразований, мал, а их влияние сводится к уменьшению дальности обнаружения целей вследствие увеличения затухания сигнала. Это типично для несильных туманов и слабого снегопада. В этих случаях речь идет по существу об обнаружении цели с уменьшившейся ЭПР на фоне собственных шумов приемника. Второй класс задач возникает тогда, когда сигнал, отраженный от метеообразований, велик и существенно превышает уровень собственных шумов приемника, что типично для дождливой погоды, сильного снегопада и т.п. С позиции диспетчера, перед которым имеется экран с мощными засветками, требуется узнать факт наличия или отсутствия отметок цели.

Круговая поляризация оказывается эффективным средством для подавления мешающих отражений от гидрометеоров только в условиях тумана и слабого дождя (не более 8.10 мм/ч). Кривые на рис. 1 соответствуют обнаружению в условиях снега и слабого дождя при различных вероятностях ложной тревоги (10-4 и 10-6) [5]. Из рисунка видно, что при больших сигналах обнаружение в условиях слабого дождя несколько лучше, чем в снеге, что является подтверждением известного из практики эксплуатации факта. Пунктиром приведена кривая, соответствующая обнаружению в условиях ясного дня. Крайне правая кривая относится к наблюдению цели сквозь сильный дождь. Из рисунка достаточно наглядно видно, как уменьшается эффективность подавления сигналов, отраженных от дождя, путем использования круговой поляризации. Например, для обеспечения ^ПО = 0,9, по сравнению со случаем

ясного дня, ЭПР цели должна быть увеличена более, чем в 2 раза.

Прием на кроссовую поляризацию может оказываться более эффективным, чем прием на КП в условиях сильного дождя (рис. 2) [5]. Однако ЭПР на кроссовой поляризации для реальных целей оказывается, как правило, на порядок ниже, чем ЭПР на КП, поэтому об эффективности использования такого режима в большинстве случаев нельзя говорить с определенностью. Тем не менее, кроссовый прием все же может оказаться более целесообразным при наблюдении целей, расположенных достаточно близко от РЛС. Обращает на себя внимание относительно слабая зависимость характеристик обнаружения от видов метеообразований. Сказанное позволяет вынести рекомендацию об использовании кроссового приема при наблюдении целей в районе аэропорта в перемежающихся осадках.

. При этом элемент матрицы £ является случайной величиной

времени і. Чем уже закон распределения

очевидно, эффективнее оказывается

измерении поляризационного базиса изменяется дисперсия случайной функции ?), при этом

Рпо

123 4567 1

Рис. 1. Характеристики обнаружения на круговой поляризации в сложных метеоусловиях: 1 - ясный день; 2 - туман (п=4); 3 - снег (п=4); 4 - слабый дождь; 5 - снег;

Рпо 6 - слабый дождь (/7=6); 7 - сильный дождь («=6) і

1.0 -

0.9 -

0.8 -

0,7 - - // / /

0,6 -А л / /

и, э — 0.4 - /у7 /

0,3 - — *' / /

0,2 - - / / /

0,1 -

1 2 3 4 5 6 7 У Рис. 2. Характеристики обнаружения в сложных метеоусловиях при приеме

на кроссовой составляющей: 1 - слабый дождь (п=4); 2 - сильный дождь (п=4);

3 - дерево; снег

С точки зрения подавления сигналов от метеообразований использование режимов ГП-ГП и ВП-ВП практически эквивалентно. При одном и том же отношении сигнал/фон вероятность правильного обнаружения цели резко падает по мере увеличения водности, что объясняет наличие известного из опыта эксплуатации факта о наличии порогового уровня интенсивности дождя, при котором работа в названных режимах невозможна [5].

В табл. 1 и на рис. 3 на основе графиков (рис. 1 и рис. 2) рассчитана зависимость дальности наблюдения РЛС ОЛП от метеоусловий при той же вероятности правильного обнаружения и виде поляризации. Очевидно преимущество применения оптимальной, по критерию максимизации радиолокационного контраста, поляризации для работы РЛС ОЛП в сложных метеоусловиях.

Таблица 1

Зависимость дальности действия (Б) РЛС ОЛП от метеоусловий при вероятности правильного обнаружения РПО = 0,9... 0,95

Вид поляризации Ясная погода Условия сложной метеообстановки

туман слабый дождь снег сильный дождь

Б, км Обнаружение на основной поляризации р = 10-6 Р = 0 95 ЛТ "> ПО на ГП 20,00 19,38 17,91 17,57 12,78

на ВП 20,00 19,39 17,64 17,29 13,14

Обнаружение целей на круговой поляризации РЛТ = 10-4 , Рпо = 0,95 20,00 19,75 19,20 19,48 13,37

Обнаружение целей на кроссовой поляризации р = 10-4 Р = 0 9 ЛТ ’ ПО у 20,00 18,61 16,82 18,29

Обнаружение целей на оптимальной поляризации РЛТ = 10-4 , РПО = 0,9...0,95 20,00 19,75 19,20 19,48 18,29

дождь дождь

Метеоусловия

Рис. 3. Зависимость дальности действия (Б) РЛС ОЛП от вида поляризации в сложных метеоусловиях

ЛИТЕРАТУРА

1. Яманов А.Д. Статистические характеристики матрицы прохождения, обусловленной наличием метеообразований в миллиметровом диапазоне волн // Научный Вестник МГТУ ГА, 2008. - № 117.

2. Яманов А.Д. Методы и средства борьбы с мешающими отражениями в РЛС ОЛП // Научный Вестник МГТУ ГА, 2009. - № 152.

3. Загорин Г.К., Зражевский А.Ю., Коньков Е.В., Соколов А. В., Титов С.В., Хохлов Г.И., Черная Л.Ф.

Факторы, влияющие на распространение мм волн в приземном слое атмосферы. // Институт радиотехники и электроники РАН.

4. Быстров Р.П., Соколов А.В. Распространение короткой части миллиметровых и субмиллиметровых волн: возможные области их применения // Радиотехника, 2006. - №5.

5. Андреев Г.Н. Подавление мешающих отражений при работе РЛС миллиметрового диапазона в сложных метеоусловиях путем поляризационной обработки радиолокационных сигналов: автореф. дис... канд. техн. наук. -М.: МИИГА, 1984.

6. Соколов А.В., Сухонин Е.В. Ослабление миллиметровых волн в толще атмосферы. В кн. : Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника, М., 1979, т. 20, с. 107-205.

7. Андреев Г.Н., Логвин А.И. Обнаружение поляризационных сигналов со случайной фазой. В кн.: Вопросы повышения эффективности функционирования авиационного и радиоэлектронного оборудование гражданской авиации. - Рига: РИИГА, 1981.

8. Насилов Д.Н. Радиометрология. - М.:Наука, 1966.

9. Загорин Г.К, Соколов А.В. Поляризационные эффекты при распространении миллиметровых радиоволн в осадках / Тез. лекций и докл. II Всес. школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере /под ред. проф. А.В.Соколова). - Фрунзе: "Илим", 1986.

10. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2005.

11. Козлов Н.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2007. - Т. 2.

12. Козлов Н.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Радиополяриметрия сложных по структуре сигналов. - М.: Радиотехника, 2008. - Т. 3.

POSSIBILITIES OF THE AIRFIELD RADAR APPLICATION RANGE EXPANSION IN DIFFICULT WEATHER CONDITIONS USIUNG POLARIZATION METHODS

Yamanov A.D.

Peculiarities of millimeter-wave backscatter from atmospheric formations and polarization characteristics of atmospheric formations and radar objects are considered. Recommendations for polarization selection methods of the airfield radar application range expansion are given.

Key words: Radar polarimetry, radar, maintenance, weather clutter.

Сведения об авторе

Яманов Антон Дмитриевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор 7 научных статей, область научных интересов - радиолокация, техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования.