ДВУХДИАПАЗОННОЕ ЛИДАРНОЕ УСТРОЙСТВО ВСЕПОГОДНОГО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОНАВИГАЦИИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к технологиям дистанционных методов измерения и контроля параметров атмосферы, а именно к технологиям всепогодного мониторинга и прогнозирования ветровой и метеорологической обстановки. Полезная модель может быть использована для всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации в составе аэродромного оборудования.
Уровень техники
Авиационная метеорология является необходимым элементом комплексной системы организации воздушного движения, т.к. неблагоприятные метеорологические условия оказывают значительное влияние на уровень безопасности полетов и на все аспекты деятельности управления воздушным движением.
Авиационный транспорт на сегодняшний день является самым быстрым видом транспорта, что влечет за собой большой пассажиропоток. Безопасность полетов обеспечивается точностью и своевременностью измерений основных параметров атмосферы, определением положения и направления перемещения опасных метеоявлений, таких как дождь, снег, град, различные туманы и аэрозоли, грозовые фронта и т.п.
Из уровня техники известны доплеровские радары [патент РФ №103936, патент РФ №121942, патент РФ №2400769, коммерческий продукт компании EEC - E700XD X Band Doppler Radar] и доплеровские лидары [патент РФ №2484500, патент SU 1840483, патент РФ №1721513, патент РФ №2545498; такие коммерческие продукты как WindTracer (Lokheed Martin corp.), Windcube-400s (Leosphere corp.), Zephir-300 (Qinetiq corp.)], предназначенных для измерения атмосферного ветра, принцип работы которых основан на измерении сдвига частоты зондирующего излучения, возвращенного из зоны проведения измерений посредством механизма рассеивания на аэрозольных частицах или гидрометеорах, которые, как предполагается, перемещаются с той же самой скоростью, что и ветер. Как правило, сдвиг частоты измеряется путем гетеродинного детектирования, при котором принимаемое рассеиваемое обратно излучение смешивается с опорным излучением гетеродина. Одним из главных недостатков подобных систем является сильная зависимость от конкретных параметров отражающего объема в атмосфере, и, как следствие, «капризность» к погодным условиям. Так, в ясную безоблачную погоду, отсутствие отраженного сигнала в доплеровских радарах обусловлено небольшой концентрацией аэрозольных частиц в атмосфере. С другой стороны, в условиях высокой отражаемой способности гидрометеоров, доплеровские радары регистрируют качественный отраженный сигнал на больших расстояниях. Физика доплеровских лидаров такова, что их зависимость от погодных условий диаметрально противоположна доплеровским радарам.
Также известны аэрозольные лидары [Патент РФ №106966], принцип работы которых основан на эффекте упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной длине волны. К недостаткам подобных систем относится относительно низкая оперативность измерений (требуется определенное время накопления данных) и большая погрешность восстановления оптических параметров атмосферы.
Также известны поляризационные радары [заявка WO 2013141738], принцип работы которых основан на облучении отражающих частиц электромагнитным излучением с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Общим недостатком подобных систем является относительно невысокая точность измерения параметров атмосферы (метеоданных). Прежде всего, это связанно с относительно высокими ошибками поляризационных измерений и юстировки каналов радиоприемника и передатчика.
Общим недостатком всех перечисленных известных устройств является ограниченность рабочего диапазона погодных условий. В частности, лидары имеют ограничения в работе при условиях тумана, осадков и повышенной облачности. Аналогично, радары и радарные системы, предназначенные для метеорологических целей, также имеют ограничения в работе, заключающиеся в нижнем пределе дальности работы 300-400 метров, а также отсутствие сигнала в ясную погоду.
Известны системы, устраняющие данный недостаток, описанные в [Mitsubishi electric corp.TM-SFW0024. Integrated Lidar and Radar System, 2011]; [Stephen Hannon et. all. Lockheed Martin Space Systems Company. All Weather Wind Monitoring with Integrated Radar and Lidar, 2010]; [Clotilde Augros et. all. ERAD 2012 - THE SEVENTH EUROPEAN CONFERENCE ON RADAR IN METEOROLOGY AND HYDROLOGY. Test of an X-band Doppler polarimetric radar combined with a Doppler LIDAR for wind shear detection at Nice Airport, 2012]; [Thomas Ernsdorf et. all. Inter-comparison of X-band radar and lidar low-level wind measurement for air traffic control (АТС). ERAD 2014 - THE EIGHTH EUROPEAN CONFERENCE ON RADAR IN METEOROLOGY AND HYDROLOGY] и [A. Dolfi-Bouteyre et. all. All-weather sensors (lidar + radar) for Wake-Vortex hazards mitigation on Airport], объединяющие лидары и радары в единую сеть для совместного использования, таким образом, реализующие всепогодный мониторинг и прогнозирование ветровой и метеорологической обстановки.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является система, описанная в [Clotilde Augros et. all. ERAD 2012 - THE SEVENTH EUROPEAN CONFERENCE ON RADAR IN METEOROLOGY AND HYDROLOGY. Test of an X-band Doppler polarimetric radar combined with a Doppler LIDAR for wind shear detection at Nice Airport, 2012], принятая за прототип. Данная система осуществляет всепогодный мониторинг ветровой и метеорологической обстановки, путем размещения отдельно радара и лидара в единой схеме измерений.
Недостатками известной системы-прототипа, а также указанных выше аналогов, является повышенная сложность их эксплуатации в составе аэродромного оборудования. Такие системы представляют собой связанные в информационную сеть наборы разнородных единиц метеорологического оборудования, разделенных (разнесенных) физически и конструктивно.
Эксплуатация таких систем затруднена необходимостью размещения на аэродроме нескольких отдельных единиц метеооборудования и связанной с этим сложностью реконфигурации их положения, что не позволяет оперативно подстраивать такие системы адаптивно изменяющейся обстановке.
Раскрытие полезной модели
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи, направленной на всепогодное определение скорости, направления и сдвига ветра на основе измерения доплеровского смещения частоты рассеянного и отраженного в атмосфере сигнала, а также для классификации зон облачности, осадков, опасных явлений погоды на основе определения параметров сигналов, отраженных от метеорологических образований.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, заключается в повышении эффективности эксплуатации, а именно мобильности и адаптивности, метеорологического оборудования за счет размещения составных частей двухдиапазонного лидарного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации на базе единого мобильного носителя с единым опорно-поворотным устройством, на котором размещены все метеосистемы (радарная Х-диапазона, лидарная ИК-диапазона), обеспечивающие всепогодность устройства.
Для решения поставленной задачи предложено двухдиапазонное лидарное устройство всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации, содержащее лидарную метеосистему ИК-диапазона, радарную метеосистему Х-диапазона, систему видеонаблюдения и связанную с ними систему питания, управления и сбора данных. В отличие от прототипа лидарная метеосистема ИК-диапазона, радарная метеосистема Х-диапазона и система питания управления и сбора данных размещены на мобильном носителе, содержащем рабочий отсек и единое опорно-поворотное устройство.
Лидарная метеосистема предпочтительно содержит модуль питания, управления и обработки сигнала, волоконно-оптический блок, приемо-передающий телескоп и зеркала сканирования.
Радарная метеосистема Х-диапазона предпочтительно содержит антенный блок, модуль питания, управления и обработки сигнала и приемо-передающий блок.
Устройство может дополнительно содержать радарную метеосистему Ка-диапазона, включающая в себя антенный блок, модуль питания, управления и обработки сигнала и приемопередающий блок.
Мобильный носитель может представлять собой наземное транспортное средство, воздушное транспортное средство или водное транспортное средство.
Комплект зеркал сканирования лидарной метеосистемы ИК-диапазона, приемо-передающий блок Х-диапазона, антенный блок метеосистемы Х-диапазона, контроллер опорно-поворотного устройства, узел горизонтального и вертикального наведения, система видеонаблюдения размещены на опорно-поворотном устройстве.
Устройство может дополнительно содержать автоматизированное рабочее место оператора, размещенное в рабочем отсеке мобильного носителя.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами.
На Фиг. 1 представлена блок-схема лидарного двухдиапазонного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации.
На Фиг. 2 представлена блок-схема лидарного двухдиапазонного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации, дополнительно включающая в себя радарную метеосистему Ка-диапазона.
Осуществление полезной модели
Двухдиапазонное лидарное устройство всепогодного
метеорологического обеспечения аэронавигации на Фиг.1 содержит единый мобильный носитель 1 и размещенное на нем единое опорно-поворотное устройство 2, при этом двухдиапазонное лидарное устройство всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации содержит рабочий отсек 3, в котором размещены лидарная метеосистема 4 ИК-диапазона и радарная метеосистема 5 Х-диапазона, причем отдельные структурные элементы метеосистем 4 и 5 размещены на едином опорно-поворотном устройстве 2.
Лидарная метеосистема 4 ИК-диапазона состоит из модуля 6 питания, управления и обработки сигнала, соединенного с волоконно-оптическим блоком 7, который соединен с приемо-передающим телескопом 8, соединенным с комплектом 9 зеркал сканирования, при этом модуль 6 питания, управления и обработки сигнала, волоконно-оптический блок 7 и приемо-передающий телескоп 8 размещены в рабочем отсеке 3, а комплект 9 зеркал сканирования размещен на едином опорно-поворотном устройстве 2.
Радарная метеосистема 5 Х-диапазона содержит модуль 10 питания, управления и обработки сигнала, соединенный с приемопередающим блоком 11 Х-диапазона, который соединен с антенным блоком 12, при этом модуль 10 питания, управления и обработки сигнала размещен в рабочем отсеке 3, а приемо-передающий блок 11 Х-диапазона и антенный блок 12 размещены на едином опорно-поворотном устройстве 2.
В состав единого опорно-поворотного устройства 2 входят контроллер 13 опорно-поворотного устройства и соединенный с ним узел 14 горизонтального и вертикального наведения, на котором размещены комплект 9 зеркал сканирования, приемо-передающий блок 11 Х-диапазона, антенный блок 12, а также блок 15 видеонаблюдения.
Кроме того, в рабочем отсеке 3 размещена единая система 16 управления и сбора данных, автоматизированное рабочее место 17 оператора, модуль 18 беспроводной связи, позиционирования и навигации и блок 19 энергообеспечения.
Автоматизированное рабочее место 17 оператора последовательно соединено с единой системой 16 управления и сбора данных, которая параллельно соединена с модулем 6 питания, управления и обработки сигнала, модулем питания 10, управления и обработки сигнала, контроллером 13 опорно-поворотного устройства и блоком 15 видеонаблюдения, а кроме того, единая система 16 управления и сбора данных последовательно соединена с модулем 18 беспроводной связи, позиционирования и навигации.
Блок 19 энергообеспечения параллельно соединен с модулем 6 питания, управления и обработки сигнала, волоконно-оптическим блоком 7, приемо-передающим телескопом 8, модулем 10 питания, управления и обработки сигнала, приемо-передающим блоком 11 X-диапазона, контроллером опорно-поворотного устройства 13, узлом 14 горизонтального и вертикального наведения, блоком 15 видеонаблюдения, единой системой 16 управления и сбора данных, автоматизированным рабочим местом 17 оператора, модулем 18 беспроводной связи, позиционирования и навигации (на фиг. 1 эти связи показаны упрощенно).
Лидарная метеосистема 4 ИК-диапазона предназначена для определения скорости, направления и сдвига ветра, а также для классификации зон облачности, осадков, опасных явлений погоды.
Волоконно-оптический блок 7 лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона в своем составе предпочтительно содержит лазерный излучатель с усилителем, балансный приемник, циркулятор и волоконный сумматор.
Радарная метеосистема 5 Х-диапазона предназначена для обнаружения и классификации метеообразований, анализа метеообстановки и выработки прогнозов относительно опасных метеоявлений.
Приемо-передающий блок 11 Х-диапазона предпочтительно в своем составе содержит генератор СВЧ, который связан с формирователем импульсов на базе клистрона, магнетрона или твердотельных элементов; циркулятора, малошумящего усилителя и двухканального приемника. В СВЧ-тракт включены также управляемый регулятор мощности и волноводный коммутатор. Модулятор может быть выполнен по схеме с частичным разрядом накопительной емкости.
Модуль 10 питания, управления и обработки сигнала радарной метеосистемы 5 Х-диапазона представляет собой специализированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для автоматического управления исполнительными устройствами радарной метеосистемы 5 Х-диапазона, сбора первичных измеренных данных и последующей обработки результатов с целью решения задачи классификации зон облачности, осадков, опасных явлений погоды и дистанционного определения параметров ветра в заданном пространстве.
Модуль 6 питания, управления и обработки сигнала лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона представляет собой специализированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для автоматического управления исполнительными устройствами лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона, сбора первичных измеренных данных и последующей обработки результатов с целью решения задачи классификации зон облачности, осадков, опасных явлений погоды и дистанционного определения параметров ветра в заданном пространстве.
Контроллер 13 опорно-поворотного устройства представляет собой специализированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для управления двигателями единого опорно-поворотного устройства 2 и контроля положения.
Двухдиапазонное лидарное устройство всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации, блок-схема которого представлена на фиг.1, работает следующим образом.
Излучение из волоконно-оптического блока 7 лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона поступает в приемо-передающий телескоп 8, установленный в рабочем отсеке 3 единого мобильного носителя 1, а далее - в единое опорно-поворотное устройство 2, где с помощью комплекта 9 зеркал сканирования направляется в зону проведения измерений. Принимаемое излучение от объекта измерений направляется по единому приемо-передающему тракту на приемник излучения. Управление режимами работы лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона и первичная обработка принимаемых данных осуществляется в модуле 6 питания, управления и обработки сигнала.
Зондирующие импульсы СВЧ генерируются в приемо-передающем блоке 11 Х-диапазона и через волноводный тракт передаются на антенный блок 12, далее излучение направляется в зону измерений. Обратный рассеянный сигнал попадает на антенный блок 12 и после в приемо-передающем блоке 11 Х-диапазона. Управление режимами работы приемо-передающего блока 11 Х-диапазона и первичная обработка принимаемых данных осуществляется в модуле 10 питания, управления и обработки сигнала.
На Фиг. 2 представлена блок-схема лидарного двухдиапазонного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации, дополнительно включающая в себя радарную метеосистему 20 Ка-диапазона.
Радарная метеосистема 2 0 Ка-диапазона содержит модуль 21 питания, управления и обработки сигнала, соединенный с приемопередающим блоком 22 Х-диапазона, который соединен с антенным блоком 23, при этом модуль 21 питания, управления и обработки сигнала размещен в рабочем отсеке 3, а приемо-передающий блок 22 Ка-диапазона и антенный блок 23 размещены на едином опорно-поворотном устройстве 2.
Радарная метеосистема 20 Ка-диапазона предназначена для обнаружения и классификации метеообразований, анализа метеообстановки и выработки прогнозов относительно опасных метеоявлений.
Приемо-передающий блок 22 Ка-диапазона предпочтительно в своем составе содержит генератор СВЧ, который связан с формирователем импульсов на базе клистрона, магнетрона или твердотельных элементов; циркулятора, малошумящего усилителя и двухканального приемника. В СВЧ-тракт включены также управляемый регулятор мощности и волноводный коммутатор. Модулятор может быть выполнен по схеме с частичным разрядом накопительной емкости.
Модуль 21 питания, управления и обработки сигнала радарной метеосистемы 20 Ка-диапазона представляет собой специализированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для автоматического управления исполнительными устройствами радарной метеосистемы 20 Ка-диапазона, сбора первичных измеренных данных и последующей обработки результатов с целью решения задачи классификации зон облачности, осадков, опасных явлений погоды и дистанционного определения параметров ветра в заданном пространстве.
Зондирующие импульсы СВЧ генерируются в приемо-передающем блоке 22 Ка-диапазона и через волноводный тракт передаются на антенный блок 23, далее излучение направляется в зону измерений. Обратный рассеянный сигнал попадает на антенный блок 23 и после в приемо-передающем блоке 22 Ка-диапазона. Управление режимами работы приемо-передающего блока 22 Х-диапазона и первичная обработка принимаемых данных осуществляется в модуле 21 питания, управления и обработки сигнала.
Следует отметить, что дополнение двухдиапазонного лидарного устройства всепогодного обеспечения аэронавигации помимо лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона и радарной метеосистемы 5 Х-диапазона, еще и радарной метеосистемой 20 Ка-диапазона позволяет расширить динамический диапазон измеряемых характеристик атмосферы.
Предложенное техническое решение обеспечивает заявленный технический результат, а именно повышение эффективности эксплуатации, а именно мобильности и адаптивности, метеорологического оборудования, за счет следующего.
Предложенное двухдиапазонное лидарное устройством всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации обеспечивает проведение измерений в разных спектральных диапазонах с помощью лидарной метеосистемы 4 ИК-диапазона и радарной метеосистемы 5 Х-диапазона синхронно, вдоль одной оптической оси, из одной точки пространства, что облегчает объединение получаемых разнородных данных и, как следствие, улучшает читаемость, наглядность и информативность их отображения.
При этом координаты точки пространства, из которой проводятся измерения, определяются с помощью модуля 18 беспроводной связи, позиционирования и навигации, а также транслируются с помощью этого модуля всем заинтересованным службам, например, диспетчеру управления аэродромным движением.
При этом, двухдиапазонное лидарное устройство всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации может управляться как автоматически, так и в ручном режиме, а также как дистанционно с помощью модуля 18 беспроводной связи, позиционирования и навигации, так и непосредственно с помощью автоматизированного рабочего места 17 оператора в составе устройства.
Последнее, наряду с размещением двухдиапазонного лидарного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации на базе единого мобильного носителя 1, облегчает и ускоряет проведение регулярных регламентных работ по техническому обслуживанию устройства согласно графику, оптимизированному по сравнению со случаем использования сети разнородных единиц метеорологического оборудования.
Наконец, наличие автоматизированного рабочего места 17 оператора в составе двухдиапазонного лидарного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации, и его размещение на базе единого мобильного носителя 1, позволяет оперативно оптимизировать работу и положение устройства адаптивно развивающейся ситуации. Например, это востребовано в случае авиационного инцидента в воздушном пространстве, когда необходимо наилучшим образом отслеживать метеорологическую обстановку в районе траектории движения определенного летательного аппарата. Иными случаями являются техногенные инциденты в районе аэропорта, приводящие к затенению отдельных направлений и секторов измерения метеорологической обстановки. В этих случаях устройство может быть оперативно перемещено на наилучшую позицию для проведения измерений.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении достигается повышение эффективности эксплуатации метеорологического оборудования за счет размещения составных частей лидарного двухдиапазонного устройства всепогодного метеорологического обеспечения аэронавигации на базе единого мобильного носителя с единым опорно-поворотным устройством, на котором размещены части метеосистем ИК-диапазона и Х-диапазона, обеспечивающие всепогодность устройства.
Литература:
1. Mitsubishi electric corp. TM-SFW0024. Integrated Lidar and Radar System, 2011.
2. Stephen Hannon et. all. Lockheed Martin Space Systems Company. All Weather Wind Monitoring with Integrated Radar and Lidar, 2010.
3. Clotilde Augros et. all. ERAD 2012 - THE SEVENTH EUROPEAN CONFERENCE ON RADAR IN METEOROLOGY AND HYDROLOGY. Test of an X-band Doppler polarimetric radar combined with a Doppler LIDAR for wind shear detection at Nice Airport, 2012.
4. Thomas Ernsdorf et. all. Inter-comparison of X-band radar and lidar low-level wind measurement for air traffic control (АТС). ERAD 2014 - THE EIGHTH EUROPEAN CONFERENCE ON RADAR IN METEOROLOGY AND HYDROLOGY.
5. A. Dolfi-Bouteyre et. all. All-weather sensors (lidar+radar) for Wake-Vortex hazards mitigation on Airport.

6. Gematronik Weather Radar Systems. ALL WEATHER CONDITION DETECTION: SHEARSCOUT 3D.
7. F. BARBARESCO. INTRODUCTION TO WAKENET EUROPE, SESSION: WIND/WAKE-VORTEX SENSORS. Thales Air Systems WAKENET EUROPE 2013.
8. Meiko Steen et. all. Candidate Technologies Survey of Airport Wind & Wake-Vortex Monitoring Sensors. 9th Innovative Research Workshop & Exhibition. 2010.
9. L.J.P. Speijker et. all. Integrated Wake Vortex Safety and Capacity System. АТС-WAKE D6_2, IST-2001-34729, FINAL VERSION, 2005.
10. Г.Г. Щукин, А.С. Борейшо, В.Ю. Жуков, М.Ю. Ильин. Лидарно-радиолокационный комплекс для определения профиля ветра в пограничном слое атмосферы. Статья в сборнике XXIX Симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». 2015.
11. John Y.N. Cho, Robert G. Hallowell. Detection Probability Modeling for Airport Wind-Shear Sensors. Project Report ATC-340, 2008.
12. Li Bai. The Auxiliary Remote Sensing Observation Data Analysis of 8th Yangjiang International Radiosonde Intercomparison. 2008.
13. Volker Lehmann, Eileen Paschke, Ronny Leinweber, Guy N. Pearson. Results from a one year-long testing of a 1.5 µm Doppler lidar as a boundary layer wind profiler.