МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ
METEOROLOGICAL RADAR STATION

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения состояния и динамических параметров атмосферы.
Изобретение в целом относится к радиотехническим метеорологическим комплексам, более конкретно оно касается доплеровских метеорологических радиолокационных станций, использующих двойную поляризацию для улучшения разрешения отражательной способности жидких гидрометеоров.
Известная метеорологическая радиолокационная станция (МРЛС) содержит синхронизатор, передатчик, генератор калибровочных радиоимпульсов, матрицу напряжений временной автоматической регулировки усиления, последовательно соединенную антенну, коммутатор, логарифмический приемник, аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения сигнала по нескольким элементам разрешения по дальности и азимуту и последовательно соединенные сумматор, пороговый блок и регистратор, а также блок памяти амплитуды калибровочных импульсов и блок вычитания, при этом выход передатчика соединен со вторым входом коммутатора, второй выход которого соединен через генератор калибровочных радиоимпульсов со своим третьим входом, выход матрицы напряжений временной автоматической регулировки усиления соединен с первым входом сумматора, первый выход синхронизатора соединен с управляющими входами передатчика, логарифмического приемника, коммутатора и генератора калибровочных радиоимпульсов, второй выход синхронизатора соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, блока усреднения сигнала по нескольким элементам разрешения по дальности и азимуту, сумматора, матрицы напряжений временной автоматической регулировки усиления и регистратора; выход блока усреднения сигнала соединен с первым входом блока вычитания и через блок памяти амплитуды калибровочных импульсов со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом сумматора, а второй выход синхронизатора соединен с управляющими входами блока памяти амплитуды калибровочных импульсов и блока вычитания (авт. св. SU №1058444 А1, 15.12.1987 [1]).
Известная МРЛС обеспечивает повышение точности определения эффективной отражающей поверхности метеообъектов и соответственно позволяет более точно и надежно определить тип метеообъекта.
Однако в результате ее использования можно получить сведения только о фиксированных координатах метеообъектов, она не представляет информацию о направлении и скорости их перемещения, что не позволяет достаточно точно определить время появления опасного метеорологического объекта (гроза, град, снег, облачность, содержащая вредные примеси, и т.д.) и предпринять необходимые меры защиты.
Известно также техническое решение задачи создания метеорологической радиолокационной станции, которая позволила бы получать информацию не только о координатах и типе наблюдаемого метеообъекта, но и о текущих динамических параметрах атмосферы, т.е. о направлении и скорости движения метеоцели (патент RU №2101728 С1, 10.01.1998 [2]).
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в метеорологической радиолокационной станции, содержащей синхронизатор, передатчик, генератор калибровочных радиоимпульсов, последовательно соединенные антенну, снабженную датчиком углового положения, коммутатор, приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок усреднения сигнала по нескольким элементам разрешения по дальности и азимуту, сумматор, пороговый блок, а также регистратор, причем выход передатчика соединен со вторым входом коммутатора, второй выход которого соединен через генератор калибровочных радиоимпульсов со своим третьим входом, первый выход синхронизатора соединен со входом передатчика и вторым входами приемника, коммутатора и генератора калибровочных радиоимпульсов, а второй выход синхронизатора соединен со вторыми входами аналого-цифрового преобразователя, блока усреднения сигнала по нескольким элементам разрешения по дальности и азимуту, сумматора и регистратора, введены блок памяти амплитуды отраженных от объекта сигналов и углового положения антенны, а также вычислитель, при этом первый вход блока памяти амплитуды отраженных от объекта сигналов соединен с первым выходом порогового блока, а его выход соединен с первым входом вычислителя, второй выход порогового блока соединен со вторым входом вычислителя, третий вход вычислителя и второй вход блока памяти амплитуды отраженных от объекта сигналов и углового положения антенны соединены с выходом датчика углового положения антенны, а выход вычислителя соединен с первым входом регистратора.
При этом технический результат достигается за счет того, что в МРЛС введены блок памяти амплитуды отраженных от объекта сигналов и углового положения антенны, а также вычислитель, при этом первый вход блока памяти амплитуды отраженных от объекта сигналов соединен с первым выходом порогового блока, а его выход соединен с первым входом вычислителя, третий вход вычислителя и второй вход блока памяти амплитуды отраженных от объекта сигналов и углового положения антенны соединены с выходом датчика углового положения антенны, а выход вычислителя соединен с первым входом регистратора.
Однако в известной МРЛС отсутствует возможность количественной оценки интенсивности гидрометеоров.
Известно также устройство для определения состояния атмосферы, в частности для измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель (пиркулятор), антенну, генератор стандартных сигналов. последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор (аналого-цифровой преобразователь), индикатор, вычислитель, механический поляризатор в виде вращающейся секции круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, и последовательно соединенные блок управления поляризатором и исполнительный механизм (авт. св. SU №1128211, 1983 [3]).
Это устройство позволяет обнаруживать различные метеоцели, давать количественную оценку интенсивности гидрометеоров (в частности, дождя).
Однако это устройство не позволяет определить наличие радиоактивных примесей в атмосфере.
Известно устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор и вычислитель, поляризатор, связанный с ним блок управления поляризатором, первый вход приемника подключен к второму выходу циркулятора, выход генератора стандартных сигналов подключен к второму входу приемника; в устройстве имеется блок синхронизации, один выход которого подключен к входу блока управления поляризатором, второй выход подключен к второму входу блока стробирования, а третий выход подключен к входу блока запуска передатчика (заявка RU №93053639/09 (053793), публ. 27.05.1996 [4]).
Данное устройство позволяет обнаруживать в атмосфере радиоактивные примеси и дифференцировать их от других метеоцелей.
Однако это устройство базируется на принципе изучения импульсов с различной поляризацией, линейной и круговой, что значительно усложняет и удорожает его. Для смены поляризации требуется не только сложный, дорогостоящий элемент, каким является поляризатор, но и постоянное наличие генератора стандартных сигналов. Последнее объясняется тем, что при поимпульсной смене поляризации требуется постоянное наличие опорного калибровочного сигнала на каждый период следования импульсов (1 мс). Кроме того, устройство обеспечивает только индикацию наличия радиоактивных примесей. Количественная оценка степени радиоактивного загрязнения определенного объема атмосферы не осуществляется.
Известно также техническое решение задачи создания устройства для определения состояния атмосферы на предмет наличия в ней радиоактивных примесей, которое обеспечило бы также количественную оценку степени радиоактивного загрязнения определенного объема атмосферы, и, кроме того, существенное упрощение и удешевление устройства, повышение надежности его работы за счет исключения сложных и дорогостоящих элементов (патент RU №2101729 С1, 10.01.1998 [5]).
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну, снабженную приводом, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор, вычислитель с блоком памяти, а также блок синхронизации, вход приемника подключен к второму выходу циркулятора, второй выход блока синхронизации подключен к второму входу блока стробирования, третий выход блока синхронизации подключен к входу блока запуска передатчика, введены следующие новые элементы: антенна снабжена шаговым приводом, содержится дополнительно цифровой блок управления этим шаговым двигателем, вход этого блока соединен с первым выходом блока синхронизации, первый выход подключен к шаговому приводу антенны, а второй выход соединен с вторым входом вычислителя.
Технический результат достигается за счет того, что антенна снабжена шаговым приводом, при этом введен блок управления шаговым приводом антенны, вход этого блока соединен с первым выходом блока синхронизации, первый выход подключен к шаговому приводу антенны, а второй выход соединен с вторым входом вычислителя.
Существенным недостатком данной МРЛС является наличие проблемы длительного времени анализа сигналов, повышение быстродействия и надежности при эксплуатации, что обусловлено тем, что большинство современных метеорологических радиолокационных станций при работе используют стратегию одной поляризации, чтобы увеличить коэффициент отражения от атмосферных осадков. Форма жидких гидрометеоров (например. капель дождя) отклоняется от сферической, когда их радиус больше 1 мм, и они имеют форму, более похожую на сплюснутый сфероид с уплощенным основанием (похожий на булочку для гамбургера), который дает немного более сильное отражение сигнала с горизонтальной поляризацией. Поэтому современные радиолокационные стации обычно используют горизонтальную поляризацию, чтобы увеличить отражение от атмосферных осадков.
Однако радиолокационные станции с одной поляризацией имеют серьезные ограничения в областях с частичным затенением луча и не обеспечивают классификации гидрометеоров. Чтобы преодолеть эти недостатки метеорологических радиолокационных станций с одной поляризацией, были разработаны системы с чередующимися импульсами горизонтально и вертикально поляризованных сигналов. Такие радиолокационные станции с двойной поляризацией, иногда называемые "поляриметрическими метеорологическими радиолокационными станциями", обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с обычными радиолокаторами при оценке типа и количества атмосферных осадков. Самыми главными среди этих преимуществ является способность различать град и дождь, обнаруживать осадки со смешанной фазой и оценивать объем дождевых осадков.
Современные радиолокационные станции с двойной поляризацией используют последовательное чередование линейной вертикальной и линейной горизонтальной поляризаций для сбора расширенных данных, таких как, например, коэффициенты отражения при горизонтальной и вертикальной поляризации; дифференциальная отражательная способность для двух коэффициентов отражения; кумулятивный сдвиг по фазе между горизонтально и вертикально поляризованными эхо-сигналами; коэффициенты корреляции между вертикально и горизонтально поляризованными эхо-сигналами; и коэффициенты деполяризации линейно поляризованного излучения. Кроме того, доплеровская скорость и ширина спектра могут быть получены путем соответствующей обработки горизонтально и вертикально поляризованных отраженных сигналов.
Радиолокационные станции с двойной поляризацией также обеспечивают классификацию осадков путем аналитической обработки обнаруженных радиолокатором форм гидрометеоров. Кроме того, путем контроля разности фаз между горизонтальной и вертикальной составляющими могут быть смягчены эффекты частичного затенения луча и может быть достигнуто большее подавление мешающих отражений. Однако базовым допущением является то, что последовательные импульсы (каждой поляризации) являются высоко коррелированными и обеспечивают эффективный диапазон скорости, уменьшенный в два раза.
В то время как радиолокационные станции с двойной поляризацией обеспечивают улучшенное разрешение параметров гидрометеоров, современные системы обычно используют быстродействующие волноводные переключатели мощности, чтобы переключать передаваемую мощность между двумя волноводными каналами. Использование волноводных переключателей для разделения ортогональных колебаний имеет практические ограничения, которые по ряду причин, рассмотренных ниже, мешают широкому использованию радиолокационных станций с двойной поляризацией.
Современные метеорологические радиолокационные станции с двойной поляризацией переключают вид поляризации импульс за импульсом. Чтобы выполнять переключение поляризации используется быстродействующий волноводный переключатель мощности (называемый в промышленности общим термином "ортомодовый волноводный переключатель"), служащий для переключения передаваемой мощности между горизонтально ориентированным волноводом и вертикально ориентированным волноводом. Волноводный поляризационный сдвиг вызывается эффектом Фарадея. что является хорошо известной техникой. Эта типичная станция содержит элементы, известные в данной области техники, такие как передатчик на основе клистрона, двунаправленный ответвитель, канальный циркулятор, цифровой приемник, вращающиеся соединения, например угломестное и азимутальное сочленения (используемые для наведения антенны по углу места и азимуту), и необходимая опора с рупорными облучателями и антенной.
Такая станция описана в патенте US №5500646 [6] и представляет конструкцию радиолокационной станции с одновременной двойной поляризацией, обеспечиваемой путем замены ортомодового переключателя делителем мощности и ортомодовым соединением с рупорным облучателем антенны. Сегодня существует ряд систем для реального сбора радиолокационных данных и введения их в локальные рабочие станции или национальную сеть радиолокационных установок. Одна такая система описана в разделе 9.5 официального документа "A. Zahrai, D. Zrnic, Implementation of Polarimetric Capability for the WSR-88D (NEXRAD) Radar", изданного Американским метеорологическим обществом в 1997 г. [7] и включенного в данное описание путем ссылки. Дополнительные пояснения, имеющие отношение к сбору данных об отражательной способности целей и обработке таких данных, здесь не будут приведены, так как материалы, на которые сделаны ссылки, описывают базовую теорию и работу таких систем, и такая информация уже известна в промышленности и не требуется для полного понимания описываемого здесь изобретения.
Для систем с чередованием двух поляризаций главной практической проблемой являются ограничения, связанные с использованием переключателя мощности. Эти переключатели являются специализированными частями оборудования и имеют тенденцию быть очень дорогостоящими и сложными в обслуживании. Кроме того, они обеспечивают относительно слабую развязку между двумя режимами поляризации. Изготовители, знакомые с установкой и техническим обслуживанием этих систем в полевых условиях, нашли, что надежность переключателей мощности двух поляризаций уменьшается по мере снижения частоты излучения, что ограничивает практическое использование метеорологических радиолокационных станций с двойной поляризацией.
Переключатель двух поляризаций представляет собой устройство для поворота плоскости поляризации на основе феррита. Переключатель работает путем возбуждения магнитного поля в ферритовом сердечнике перед передачей импульса. Взаимодействие магнитного поля и электромагнитного импульса вызывает эффект Фарадея, то есть вращение плоскости поляризации при прохождении импульса через заполненное ферритом пространство. Вследствие этого процесса энергия импульса направляется к одному из двух выходных портов: горизонтально ориентированному и вертикально ориентированному.
Размер ферритового сердечника зависит от длины волны и, следовательно, от рабочей частоты радиолокационной системы. Чем больше длина волны, тем большие размеры имеет ферритовый сердечник и тем больше площадь поверхности, которая будет поглощать энергию СВЧ. Специалисты в данной области техники в настоящее время полагают, что отказы переключателей при относительном низком значении частоты в S-диапазоне (то есть десятисантиметровом диапазоне длин волн) являются результатом изменений в кристаллической структуре ферритового материала, возникающих из-за повышенного поглощения энергии на этих частотах. На более высоких частотах, например, в диапазонах С и X, изготовители испытывают меньше проблем с отказами, но продолжают сталкиваться с некоторыми проблемами. Другие производители предпочитают использовать в станциях S-диапазона механические, а не электромагнитные переключатели. Однако механические переключатели имеют другие известные ограничения, такие как фиксированная рабочая частота для выбранного блока переключателя, что ограничивает эксплуатационные параметры радиолокационной системы фиксированным периодом повторения импульсов.
Другим ограничением современных радиолокационных станций с поочередной двойной поляризацией является большое время анализа и уменьшение диапазона скоростей. Любой принятый отраженный сигнал, являющийся результатом обоих типов поляризации, предполагается исходящим от одних и тех же рассеивающих объектов (например, гидрометеоров). Чтобы сопоставлять данные каналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией, в современных станциях, использующих волноводный переключатель, импульс одной поляризации передается с последующим периодом задержки (временем анализа), в течение которого принимаются отраженные сигналы. Затем посылается импульс другой поляризации, и дополнительные данные принимаются той же самой (единственной) приемной системой в течение второго времени анализа. Таким образом, прием отраженных сигналов происходит в течение этих двух периодов анализа при повороте антенны на угол в пределах одной ширины луча, результатом чего является более длительное суммарное время анализа для зондирования на каждой ширине луча. Аналогично, так как время анализа для зондирования на каждой ширине луча (вертикальная + горизонтальная поляризация) удваивается, вычислительное восприятие скорости уменьшается в два раза, что ограничивает способность современных систем разрешать относительно высокие скорости ветра в отраженных радиолокационных сигналах.
Кроме того, для вышеупомянутых моделей [6, 7] существуют практические проблемы. Передача последовательностей радиоимпульсов по длинным волноводам вносит фазовые и амплитудные искажения в форму волн, что может мешать обработке отраженных от цели сигналов. Кроме того, передача последовательностей радиолокационных импульсов через азимутальные и угломестные сочленения, предназначенные для наведения антенны по азимуту и углу места, вносят дополнительные искажения, являющиеся причиной ослабления сигнала. Такие искажения требуют сложной обработки для их компенсации в принимаемых отраженных радиолокационных сигналах, что ограничивает надежность данных об отражательной способности целей в метеорологических радиолокационных станциях с одновременной двойной поляризацией. Аналогичные недостатки имеют и устройства, описания которых приведены в следующих документах: заявка US №20040056791 A1, 25.03.2004 [8], патент RU №2222031 С1, 20.01.2004 [9], патент RU №2236023 C2, 10.09.2004 [10], заявка RU №95106081 A1, 20.01.1997 [11], патент RU №2090903 C1, 20.09.1997 [12], заявка US №2004201515 A1, 14.10.2004 [13], патент WO №9724629 A1, 10.07.1997 [14], патент WO №9938028 A1, 29.07.1999 [15], патент СА №2541527 A1, 06.05.2005 [16].
Поэтому необходимо усовершенствование метеорологических радиолокационных станций с двойной поляризацией для перехода от современных режимов с чередующейся поляризацией к режимам с одновременной двойной поляризацией, чтобы решить такие проблемы как длительные периоды анализа и уменьшение диапазона скоростей, а также исключить дорогостоящие и сложные в обслуживании переключатели поляризации, используемые в настоящее время в метеорологических радиолокационных станциях с двойной поляризацией.
Известна радиолокационная станция с одновременной двойной поляризацией (патент RU №2394254 С2, 10.07.2010 [17]), которая использует радиочастотный делитель мощности вместо быстродействующих переключателей поляризации, используемых в известных системах, чтобы осуществлять передачу и прием с горизонтальной и вертикальной поляризацией одновременно. Примеры выполнения современных станций также показывают необходимость размещения критических компонентов приемника выше вращающегося угломестного соединения в основании радиолокационной станции, чтобы избежать искажения последовательности радиолокационных импульсов из-за внесения фазовой ошибки в волноводе и использовать преимущества одновременной передачи поляризованных сигналов. Кроме того, введен обходной переключатель, чтобы сделать возможным переключение режимов работы радиолокационной станции, и описана конструкция устройства для приема сигнала с двойной поляризацией, позволяющая осуществлять экономичный сбор информации о коэффициенте деполяризации для выбранных областей атмосферы. Раскрытые формы осуществления изобретения устраняют имеющиеся в современных радиолокационных станциях с двойной поляризацией проблемы длинных периодов анализа и уменьшения диапазона скоростей. Кроме того, описываемые конструкции исключают относительно дорогой и ненадежный переключатель поляризации, используемый в современных станциях, потенциальным недостатком системы [6] является деление передаваемой мощности. Например, оператору, желающему передавать и анализировать данные в режиме одной поляризации при мощности 500 кВт,. потребуется передатчик мощностью 1 МВт.
Известная метеорологическая радиолокационная станция [17] (прототип) содержит генератор последовательности импульсов энергии для создания радиоизлучений, пригодных для использования в метеорологической радиолокации; радиочастотный делитель мощности, электрически связанный с указанным генератором последовательности импульсов, для разделения радиоизлучений на одновременные парные составляющие излучения; антенну, электрически связанную с указанным делителем мощности, для передачи одновременных парных составляющих излучения в пространство управляемым образом и для сбора сигналов, отраженных от исследуемых объектов; ортомодовый рупорный облучатель, расположенный на антенне для изменения одной из указанных составляющих излучения так, чтобы при передаче она имела фазу, отличающуюся от фазы другой составляющей излучения, и для приема отраженных сигналов диспаратных относительно друг друга фаз; подсистему приемника, электрически связанную с антенной, для обработки отраженных сигналов, собираемых антенной; причем эта подсистема приемника расположена вместе с делителем мощности, чтобы уменьшить вносимые фазовые ошибки; и пару канальных циркуляторов, электрически связанных с антенной, делителем мощности и подсистемой приемника, для развязки указанных парных составляющих излучения от подсистемы приемника.
Достигаемый при этом технический результат заключается в устранении проблемы длительного времени анализа сигналов, повышении быстродействия и надежности при эксплуатации.
Однако известная метеорологическая станция [17] может быть использована только для определения радиолокационной отражаемости целей и их поляризационных характеристик. В тоже время важной задачей является и определение средней радиальной скорости и ширины спектра гидрометеоров.
Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей с одновременным повышением надежности определения метеорологических параметров.
Поставленная задача решается за счет того, что радиотехнический метеорологический комплекс, включающий метеорологическую радиолокационную станцию, содержащую генератор последовательности импульсов энергии для создания радиоизлучений, пригодных для использования в метеорологической радиолокации; радиочастотный делитель мощности, электрически связанный с указанным генератором последовательности импульсов, для разделения радиоизлучений на одновременные парные составляющие излучения; антенну, электрически связанную с указанным делителем мощности, для передачи одновременных парных составляющих излучения в пространство управляемым образом и для сбора сигналов, отраженных от исследуемых объектов; ортомодовый рупорный облучатель, расположенный на антенне для изменения одной из указанных составляющих излучения так, чтобы при передаче она имела фазу, отличающуюся от фазы другой составляющей излучения, и для приема отраженных сигналов диспаратных относительно друг друга фаз; приемник, электрически связанный с антенной, для обработки отраженных сигналов, собираемых антенной; причем приемник расположен вместе с делителем мощности, чтобы уменьшить вносимые фазовые ошибки; и пару канальных циркуляторов, электрически связанных с антенной, делителем мощности и приемником, для развязки указанных парных составляющих излучения от приемника, дополнительно содержит СВЧ-радиометр, определитель радиальных доплеровских скоростей при различных углах места антенны, определитель ширины спектра радиальных скоростей ветра, формирователь метеорологических карт, спутниковый канал связи, устройство позиционирования, пульт управления.
На чертеже представлена блок-схема радиотехнического метеорологического комплекса. Блок-схема включает радиочастотный делитель 1 мощности, который делит передаваемую мощность на составляющие, которые передаются возбудителю 2 каждой из поляризаций ортомодового рупорного облучателя 3 антенны, размещенный на параболической антенне 4, два приемника 5-6, по одному для каждой поляризации. Для обеспечения развязки приемника и передатчика, используются два циркулятора 8, 9, циркулятор 8 тракта горизонтальной поляризации и циркулятор 9 тракта вертикальной поляризации. Используемые циркуляторы являются типичными ферритовыми циркуляторами предпочтительно с тремя, но возможно и с четырьмя плечами - четыре плеча дают лучшие характеристики развязки и отражения. Второй приемник 6 может быть целой приемной системой или же вторым каналом многоканальной системы приема. Аналогично в зависимости от конкретного применения процессор сигналов может быть встроен в приемник (возможно с использованием сдвоенных процессоров сигналов), по одному для каждого канала, а процессор передачи данных может обеспечивать объединение в одно целое данных приемника и процессоров сигналов, как известно в данной области техники. Объединенная конструкция приемника - процессора сигналов, подобная той, которая может быть найдена в двухканальных платах обработки сигналов, доступных в настоящее время, является более простой, более легкой в обслуживании и, следовательно, более предпочтительной. Фирма Lassen Research выпускает цифровой приемник подходящей конструкции серии NDRX, который обладает необходимой производительностью по обработке сигналов, удовлетворяющей требованиям обработки в системе с одновременной двойной поляризацией.
Генератор 7 с цифровым управлением предназначен для обеспечения генерации надлежащей частоты, так как синтезатор 12 является очень чувствительным блоком.
Передатчик 10 может основываться на различных известных типах устройств, таких как усилитель мощности, твердотельный усилитель, генератор мощности (например, магнетрон) или импульсный клистронный усилитель. Двунаправленный ответвитель 11 подключает выход передатчика 10 к основному волноводному каналу 13 и позволяет подавать в радиолокационную систему испытательный сигнал от генератора 14 испытательного сигнала.
Волноводный порт 15 сигнала обратной связи (то есть отвод сигнала) обеспечивает подачу опорного сигнала в цифровой приемник 5-6 через три смесителя 16 сигналов. Опорный сигнал обеспечивает механизм обратной связи для приемника 5-6, чтобы компенсировать сдвиги фаз, вносимые волноводом 13 или одним или несколькими вращающимися соединениями 17, наряду с другими видами изменений сигналов, которые могут происходить после импульсного разряда передатчика. Затем делитель 1 мощности делит сигнал передатчика, подавая его в два одинаковых волновода с одинаковой мощностью. Далее циркуляторы 8 и 9 развязывают выход от делителя 1 мощности, чтобы дать возможность пропускать через волноводы 18 отраженные сигналы, которые должны приниматься цифровым приемником 5-6 после усиления с помощью усилителей мощности 19.
Приемопередатчик 25 локальной сети Ethernet обеспечивает возможность вывода данных и прямое программирование приемника 5-6 или программирование подключенного процессора радиолокационного сигнала. Волоконно-оптическая линия 20 передачи данных позволяет передавать большие объемы радиолокационных данных в реальном времени в удаленные системы обработки и отображения данных. Сигнал 21 запуска системы обеспечивает синхронизированный запуск передатчика 10 под управлением цифрового приемника. Вращение и позиционирование антенны осуществляется путем управления различными двигателями привода в основании антенны по последовательной линии 22 связи процессором 23 радиолокационного сигнала. Электронные схемы приемника предпочтительно располагаются в основании антенны радиолокатора выше вращающегося угломестного соединения. Однако описанная конфигурация может использоваться также и в тех известных конструкциях, в которых электронные схемы приемника располагаются ниже азимутального соединения, например в расположенном рядом корпусе для электронной аппаратуры.
Решением этой проблемы является введение в волноводную структуру 13 механического передаточного переключателя, который позволяет волноводному сигналу обходить делитель мощности 1, как показано на схеме. Механические волноводные переключатели 24 используются для передачи сигнала в обход радиочастотного делителя 1 мощности, обходя таким образом функцию, которую он выполняет. Переключатель 24 устанавливается прямо перед входным портом делителя 1, чтобы по требованию последовательность радиолокационных импульсов полной мощности могла быть перенаправлена в обход делителя 1 на переключатель 24. Система сконструирована так, что переключатели не срабатывают, если передаваемая мощность не отключена, чтобы никакое переключение в этом режиме не могло иметь место при генерировании передатчиком радиочастотных импульсов. Таким образом, в режиме одной поляризации может быть достигнута полная мощность излучения. Эта обводная конфигурация позволяет направлять в один канал 18 горизонтальной поляризации максимальную мощность последовательности импульсов наряду с возможностью приема сигналов с обоими состояниями поляризации. Передача мощности с единственной поляризацией не ограничивает возможности приема отраженных сигналов и с вертикальной, и с горизонтальной поляризацией. В режиме обхода делителя мощности может быть получена информация о коэффициенте деполяризации линейно поляризованного излучения в выбранных областях атмосферы. Волноводные передаточные переключатели, используемые в этой форме осуществления изобретения, представляют собой относительно медленные механические переключатели со временем срабатывания порядка нескольких сотен миллисекунд и приводятся в действие посредством соленоидного или вращательного электропривода.
Аналогами метеорологической радиолокационной станции являются известные устройства, например: патенты RU №2101729 С1, 10.01.1998, №2453997 С1, 20.08.2012, №2468380 С1, 27.11.2012.
В отличие от прототипа [17] в предлагаемое устройство дополнительно введены СВЧ-радиометр 26, определитель 27 радиальных доплеровских скоростей при различных углах места антенны 4, определитель 28 ширины спектра радиальных скоростей ветра, формирователь 29 метеорологических карт, спутниковый канал 30 связи, устройство позиционирования 31, пульт управления 32. При этом СВЧ-радиометр 26 своими выходами соединен с входом передатчика 10, а входом-выходом с входом-выходом пульта управления 32, определитель радиальных доплеровских скоростей 27 при различных углах места антенны 4 своим входом-выходом соединен с соответствующим входом-выходом пульта управления 32, который соответствующими входами-выходами соединен с соответствующими входами-выходами определителя ширины спектра радиальных скоростей ветра 28, устройством позиционирования 31 и еще одним входом соединен с выходом формирователя метеорологических карт 29 и еще одним входом-выходом соединен с входом-выходом процессора 23 (чертеж). На чертеже блоки, обозначенные позициями 20, 21, 22, 25 и 30, не показаны.
3
В конкретном исполнении предлагаемое устройство представляет собой малогабаритный доплеровско-поляриметрический метеорологический радиолокатор (МДПМР). МДПМР предназначен для обеспечения пользователей информацией о явлениях погоды в окружающем пространстве путем его дистанционного зондирования методами активной и пассивной радиолокации, преимущественно в морских условиях. Задачами, решаемыми МДПМР, являются: обнаружение и определение координат опасных явлений погоды (очагов гроз, града, осадков, сильного ветра, зон повышенной турбулентности и потенциального обледенения летательных аппаратов и судов, электроактивных зон); определение радиолокационной отражаемости метеообразований в выбранных горизонтальных слоях окружающего пространства; определение горизонтальной и вертикальной протяженности зон облачности и осадков; определение верхней границы облаков; измерение поляризационных характеристик метеорологических образований; определение радиальных доплеровских скоростей при различных углах места антенны; определение ширины спектра радиальных скоростей ветра; определение водозапаса облаков и осадков; оценки водности облаков и осадков; прием, накопление, обработка радиолокационной информации; классификация обнаруженных метеоявлений по типам; документирование и архивирование результатов наблюдений; формирование и передача информации потребителям; обзор подстилающей поверхности. В МДПМР предусмотрены два режима работы: «Отражаемость» - для определения радиолокационной отражаемости целей и их поляризационные характеристики и «Скорость» - для определения средней радиальной скорости и ширины спектра скоростей гидрометеоров. Также предусмотрена возможность установки в каждом из вышеназванных режимов одного из следующих режимов поляриметрических измерений: однополяризационного, заключающегося в излучении волн одной поляризации, или двухполяризационного, заключающегося в излучении волн двух поляризаций. При этом ориентация волны, излучаемой в однополяризацонном режиме, и порядок излучения (одновременно или попеременно) в двухполяризацонном режиме, осуществляется по специальной программе. Конструктивно МДПМР состоит из двух основных систем радиолокационного устройства (РЛУ) и пульта управления. Радиолокационное устройство состоит из антенны, передатчика, приемника с системой первичной обработки сигналов, СВЧ-радиометра, системы управления антенной и измерения ее угловых координат, устройства позиционирования РЛУ, радиопрозрачного укрытия (РПУ). Основные характеристики РЛУ: частота несущего колебания - 9345 (минус 20… плюс 30) МГц, метеорологический потенциал РЛУ при работе в однополяризационном режиме не хуже 273 дБ/м. Антенна 4 обеспечивает раздельные прием и излучение горизонтально и вертикально поляризованных волн. Тип диаграммы направленности антенны 4 - игольчатый шириной не более 1,5°, в горизонтальной и вертикальной плоскостях на уровне 0,5 по мощности. Уровень развязки поляризационных составляющих не хуже 30 дБ. Уровень боковых лепестков антенны не хуже -30 дБ. Допускается иметь уровень первого бокового лепестка не хуже -27 дБ. Уровень кросс-полярзационной составляющей в излученном сигнале не более -32 дБ. Конструкция антенны 1 позволяет устанавливать ее под углом места 90° для решения задач юстировки МДПМР. Частота повторения зондирующих импульсов передатчика 10 обеспечивает максимальную однозначно определяемую дальность цели 150 км в режиме «Отражаемость» и 75 км в режиме «Скорость». Максимальное однозначно измеряемое значение радиальной скорости цели в режиме «Скорость» - 35 м/с. Разрешающая способность по дальности не хуже 600 м. Приемник 5-6 имеет два канала для приема каждой из поляризационных составляющих. Динамический диапазон приемника 5-6 не менее 90 дБ. Предусмотрено введение в приемный тракт дополнительного затухания на 30 дБ для возможности измерять радиолокационную отражаемость, выходящую за возможности приемника 5-6 по динамическому диапазону. Первичная обработка принимаемых сигналов заключается в подавлении отражений от местных предметов не менее чем на 45 дБ, подавлении несинхронной помехи не менее чем на 30 дБ, подавлении сигнала точечной цели не менее чем на 30 дБ, вычислении для каждого разрешаемого объема в каждом коническом разрезе мощности отражений и средней частоты спектра. При этом предусмотрена процедура распознавания двухмодального спектра и выбора для дальнейшего анализа одной из составляющих его частей с выдачей информации о наступлении данной ситуации. СВЧ-радиометр 26 предназначен для оценивания в каждом элементе разрешения антенны 4 по азимуту радиояркостной температуры атмосферы с точностью не более ±10% в диапазоне от 3 до 350 К. СВЧ-радиометр 24 встраивается в приемный тракт ДМРМ таким образом, чтобы вносимые им искажения в работу последнего были минимальны. Коэффициент шума СВЧ-радиометра 4 составляет не более 1,5 дБ. Частота настройки СВЧ-радиометра 26 составляет 9,5±0,8 ГГц. Чувствительность (при постоянной усреднения 1 с) не хуже 0,05 К. Система управления антенной и измерения ее угловых координат обеспечивает автоматическое сканирование антенны в горизонтальной плоскости в пределах от 0° до 360° со скоростью, изменяемой в пределах от 0 до 36 град/с, программно управляемое позиционирование луча антенны в вертикальной плоскости в пределах от минус 5° до плюс 45°. При этом точность измерения угловых координат антенны 4 в обеих плоскостях не хуже ±0,15°, точность задания скорости вращения антенны 4 в горизонтальной плоскости не более ±5 град/с, максимально допустимое время установки антенны 4 в заданное положение по углу места - не более 3 с. Устройство позиционирования 31 РЛУ содержит средства автоматического определения координат расположения РЛУ при помощи навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС или им подобных. Устройство позиционирования 31 обеспечивает горизонтирование и ориентирование РЛУ на новой позиции и периодическую проверку его положения. При этом интервал рабочих углов при горизонтировании изделия ±10°, точность установки углов не хуже ±0,1°. Размер радиопрозрачного укрытия (РПУ) согласован с размером отражателя антенны с тем, чтобы элементы крепления устройства не попадали в область раскрытия диаграммы направленности антенны. Суммарное ослабление, вносимое радиопрозрачным укрытием на прием и передачу, не превышает в сухом состоянии 0,5 дБ, при выпадении осадков с интенсивностью до 10 мм/ч - 3 дБ. РПУ состоит из одной цельной части и выдерживает ветровую нагрузку в 50 м/с. Пульт управления 32 предназначен для управления работой РЛУ, контроля рабочих характеристик МДПМР, вторичной обработки поступающей от РЛУ информации, визуализации получаемых данных, архивации получаемой информации, организации процесса обмена информацией и включает пульт оператора на основе ПЭВМ, специальное программное обеспечение, кабель связи с РЛУ. Пульт управления 32 состоит из процессора (тактовая частота не менее 2,6 ГГц, объем оперативной памяти не менее 2 Гбайт, жесткий диск с объемом памяти не менее 320 Гбайт, 4-х USB портов, DVD-RW), монитора с размером экрана не менее 15,4″, клавиатуры, манипулятора типа «мышь», вторичного источника питания, технических средств связи для обеспечения процесса обмена информацией. Специальное программное обеспечение (СПО) выдает в РЛУ следующие команды: включение и выключение РЛУ; включение и выключение передатчика РЛУ; отключения излучения СВЧ энергии на заданных оператором углах антенны для предотвращения облучения находящихся в данном направлении объектов; задание скорости вращения антенны в горизонтальной плоскости; установка луча антенны на заданную величину по азимуту и углу места; старт и остановка сканирования антенны в горизонтальной плоскости; переключение режимов работы РЛУ («Отражаемость», «Скорость»); переключение режимов измерения поляриметрических характеристик; включение и отключение дополнительного затухания в приемном тракте; перевода РЛУ из походного положения в рабочее и обратно; включение и выключение дополнительных устройств системы обеспечения температурных режимов; выбор канала связи; включение и отключение системы пожаротушения; срабатывание системы пожаротушения; включение и отключение автономного источника питания; выбор варианта электропитания РЛУ. Для контроля рабочих характеристик МДПМР СПО обеспечивает получение информации от встроенных контрольно-измерительных приборов и контролировать нахождение выдаваемых ими данных в заданных пределах. Контролю подлежать следующие параметры: импульсная мощность в каждом поляризационном канале; длительность излучаемого импульса; уровень шумов приемника; коэффициент усиления приемника; коэффициент усиления радиометра; горизонтальность положения РЛУ; правильность ориентирования РЛУ по сторонам света; температура внутри РПУ; задымленность внутри РПУ. В случае выхода хотя бы одного из параметров за допустимые пределы оператору должны выдаются соответствующие визуальный и звуковой сигналы. Для вторичной обработки информации СПО проводит расчет по поступающей от РЛУ информации о параметрах с учетом констант МДПМР, коррекцию данных на расстояние, ослабление в осадках, показатель преломления радиоволн и изменение потенциала радиолокатора, обнаружение по существующим методикам явлений погоды, формирование из данных, поступивших от приемника, объемных файлов информации, предназначенных для построения с их помощью карт и другой визуальной информации. Для визуализации получаемых данных СПО формирует и выводит на экран и/или на печать по запросу оператора следующие карты: распределения отражаемости в размерности дБZ в выбранных горизонтальных слоях окружающего пространства с шагом 1 км в интервале от 1 до 16 км с разрешением 5-10 дБ в диапазоне от -30 до 60 дБ; максимума отражаемости в размерности дБZ в слое выше 1 км с разрешением 5-10 дБ в диапазоне от -30 до 60 дБ с нанесением на нее знаков опасных явлений погоды; распределения отражаемости в размерности дБZ с разрешением 5-10 дБ в диапазоне от -30 до 60 дБ в вертикальной плоскости в участке метеоцели и направлении расположения вертикальной плоскости, выбираемых оператором; распределения в горизонтальной плоскости верхней границы облачности с разрешением 1 км в диапазоне от 1 до 16 км; интенсивности осадков в мм/час с представлением результатов измерений по неравномерной шкале с отсчетами 0,05; 0,2; 0,5; 1,00; 2,00; 3,00; 5,00; 7,00; 10,00; 20,00; 30,00; 50,00; 70,00; уровня осадков за установленный период времени от 1 до 24 ч в мм с разрешением и в диапазоне, равным разрешению и диапазону измерения интенсивности осадков, умноженных на количество выбранных часов; опасных явлений погоды из следующего состава: слабые, умеренные и ливневые осадки, гроза, град, смерч, шквал, зоны обледенения летательных аппаратов, зоны сдвига ветра, зоны повышенной турбулентности, электроопасные зоны; восстановленного горизонтального ветра в слоях от 1 до 16 км с шагом в 1 км в м/с с разрешением 5 м/с по величине и ±10° по направлению; поляризационных характеристик, перечень и требования к картам пространственного распределения которых определяются на этапе эскизного проекта; распределения радиальных скоростей по поверхности конического разреза, проведенного при постоянном значении угла места антенны, в м/с с разрешением 5 м/с в диапазоне от -35 до +35 м/с; ширины спектра радиальных скоростей по поверхности конического разреза, проведенного при постоянном значении угла места антенны, в м/с с разрешением 0,5 м/с в диапазоне от 0 до 6 м/с; вертикального профиля ветра в м/с с разрешением 5 м/с; распределения водности по коническому разрезу в интервале от 0 до 10 г/м. Также выдается информация о скорости и направлении перемещения облаков и опасных явлений. В перечисленных картах значения параметров обозначаются в цветовых градациях с возможностью выбора палитры. Размеры ячейки пространственного разрешения представления информации составляют 1 км ×1 км. Для точки расположения курсора на экране выводится следующая информация: географические координаты точки; полярные координаты точки относительно местоположения радиолокатора; полярные координаты точки относительно заранее выбранного объекта; карта распределения максимума отражаемости на участке размером 10×10 км; распределение отражаемости в вертикальной плоскости на участке ±10 км, расположенной в задаваемом оператором направлении; график изменения отражаемости по высоте; значения максимальной отражаемости, отражаемости на высотах нулевой изотермы и изотерм -10° и -22°. Также предусмотрен режим определения полярных координат точки относительно другой выбранной оператором точки. Вывод на экран пульта управления одной из перечисленных и выбранной оператором карты, полученной на основе только что принятого объемного файла происходит автоматически. По выбору оператора выводится на экран карты на основе любого хранящегося в архиве объемного файла. Также предусмотрен режим «мультипликации», заключающийся в последовательном выводе на экран карт, сформированных на основе данных, полученных в выбранный оператором отрезок времени. СПО обеспечивает архивацию следующей получаемой информации: объемных файлов информации, поступивших из приемника; карт, переданных потребителям информации; журнала наблюдений с фиксацией в нем времени начала и окончания обзора, количества сформированных файлов, сообщений аппаратуры контроля параметров, выбранных режимов работы аппаратуры. Вся подлежащая архивации информация хранится на жестком диске оператора в течение не менее 30 календарных суток. По истечении этого срока основная информация переносится на жесткий диск в раздел подготовки к долговременному хранению и накапливается за интервал времени не менее 92 суток. По истечении этого срока информация может быть перенесена персоналом на долговременный носитель для формирования архива данных.
Для организации процесса обмена информацией в СПО включены программные средства для организации следующих каналов обмена информацией: между пультом оператора и РЛУ для транслирования в одну сторону команд управления и технической и получаемой метеорологической информации в другую; между пультом оператора и центром сбора данных для передачи объемных файлов информации и карт распределения метеопараметров в кодах HDF5, FM-94 BUFR, FM-20 (RADOB); между пультом оператора и потребителями информации для передачи карт распределения метеопараметров в кодах HDF5, FM-94 BUFR, FM-20 (RADOB); для ввода географических карт местности и/или иной информации для формирования карт местности, на которой ведутся наблюдения из различных источников, включая интернет; для ввода аэрологической информации. Технические средства обслуживают как проводные, так и любые иные линии связи, включая спутниковые. На случай невозможности организации автоматического ввода географической и аэрологической информации имеются средства ее ручного ввода. Вспомогательное оборудование включает в себя контрольно-измерительную аппаратуру; систему обеспечения тепловых режимов; противопожарную систему; систему энергообеспечения; систему предотвращения несанкционированного доступа.
Преимущества практических конструкций станций с одновременной двойной поляризацией существенны. Они дают намного больше информации о гидрометеорах, позволяя определять полную матрицу рассеяния и корректировать частичное затенение луча посредством дифференциально-фазовых методов, обеспечивают улучшенную оценку дождевых осадков и улучшенную классификацию гидрометеоров.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1058444 А1, 15.12.1987.
2. Патент RU №2101728 С1, 10.01.1998.
3. Авторское свидетельство SU №1128211, 1983.
4. Заявка RU N 93053639/09 (053793), публ. 27.05.1996.
5. Патент RU №2101729 С1, 10.01.1998.
6. Патент US №5500646.
7. Zahrai Alien, Dr. Dusan Zrnic. "Implementation of Polarimetric Capability for the WSR-88D (NEXRAD) Radar." Long Beach, CA. American Meteorological Society 1997.
8. Заявка US №20040056791 A1, 25.03.2004.
9. Патент RU №2222031 C1, 20.01.2004.
10. Патент RU №2236023 C2, 10.09.2004.
11. Заявка RU №95106081 A1, 20.01.1997.
12. Патент RU№2090903 C1, 20.09.1997.
13. Заявка US №2004201515 A1, 14.10.2004.
14. Патент WO №9724629 A1, 10.07.1997.
15. Патент WO №9938028 A1, 29.07.1999.
16. Патент CA №2541527 A1, 06.05.2005.
17. Патент RU №2394254 C2, 10.07.2010.