Многопозиционная сетевая система метеорологической радиолокации
MULTIPOSITIONAL NETWORK SYSTEM OF METEOROLOGICAL RADAR

Изобретение относится к системам метеорологической радиолокации и может быть использовано для мониторинга метеорологических условий.
Из уровня техники известны системы метеорологической радиолокации, построенные с использованием импульсных однопозиционных метеорологических радиолокаторов большого радиуса действия, таких как ДМРЛ-С [Горелик А.Г. Радиолокационная метеорология и перспективы ее развития // III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г.; Стасенко В.Н., Мельничук Ю.В., Абшаев М.Т., Шаповал А.Б., Вовшин Б.М., Вылегжанин И.С., Ефремов B.C., Жуков В.Ю., Щукин Г.Г. Когерентный метеорологический радиолокатор с поляризационной селекцией сигнала для оснащения сети Росгидромета. Труды 22 Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред», 2012 г., вып. 9, т. 2, стр. 212-219], объединенных в единую систему метеорологических радиолокационных наблюдений. Система метеорологических радиолокационных наблюдений, базирующаяся на радиолокаторах ДМРЛ-С, включает в себя такие основные элементы, как: импульсные однопозиционные радиолокаторы ДМРЛ-С, расположенные на стационарных позициях, центр сбора радиолокационной информации, систему передачи данных, мониторинга и управления сетью локаторов, научно-технический центр по созданию и развитию сети радиолокаторов. Сеть радиолокаторов ДМРЛ-С предназначена для мониторинга состояния атмосферы над большими территориями, такими как территории целых стран.
Данная система мониторинга имеет ряд недостатков. Мощные радиолокаторы большого радиуса действия в силу зависимости расстояния до горизонта видимости радиолокатора от высоты размещения радиолокатора требуют высоких дорогих инженерных сооружений для расположения антенн, поэтому не могут размещаться в произвольных местах и не могут быть оперативно перемещены, подобные радиолокаторы требуют мощных источников электропитания, что также накладывает жесткие требования на места их расположения и мешает мобильности, мощные радиолокаторы представляют большую экологическую опасность, подобные локаторы не позволяют вести непрерывный по пространству мониторинг вблизи поверхности земли как в силу их высокого расположения, так и в силу высокой экологической опасности их излучения. Кроме того, подобные локаторы имеют высокую цену, что препятствует их массовому внедрению и приводит к ситуации, при которой в силу экономических причин становится невозможно сформировать единое непрерывное радиолокационное поле на обширных территориях. Высокая цена локаторов также сказывается на частоте их модернизации и замены одного поколения локаторов другим.
Задача изобретения - устранение вышеуказанных недостатков. Указанная задача решается многопозиционной сетевой системой метеорологической радиолокации, содержащей объединенные коммуникационно-вычислительной сетью и распределенные по территории ведения мониторинга:
по меньшей мере одно передающее устройство, включающее:
узконаправленную передающую антенную систему с возможностью непрерывного сканирования диаграммы направленности,
блок генерации сигнала,
блок позиционирования передающих устройств,
блок ориентации передающих антенных систем,
блок синхронизации антенных систем,
коммуникационный блок;
по меньшей мере одно приемное устройство, включающее:
узконаправленную приемную антенную систему с возможностью непрерывного сканирования диаграммы направленности,
блок приема сигнала,
блок предварительного анализа сигнала,
блок позиционирования приемных устройств,
блок ориентации приемных антенных систем,
блок синхронизации антенных систем и
коммуникационный блок;
устройство управления, обработки и интерпретации радиолокационных данных, включающее:
вычислительный блок,
блок накопления данных,
блок синхронизации,
коммуникационный блок;
метеорологическую сенсорную сеть, включающую:
по меньшей мере один соединенный с устройством управления (через коммуникационно-вычислительную сеть), обработки и интерпретации радиолокационных данных сенсорный блок контактных измерений метеорологических параметров окружающей среды;
причем коммуникационно-вычислительная сеть выполнена с возможностью:
обеспечения синхронного поворота диаграмм направленности передающих и приемных антенных систем таким образом, что обеспечивается возможность:
пересечения диаграмм направленности по меньшей мере одной передающей и одной принимающей антенных систем в полупространстве, расположенном над земной поверхностью,
синхронного приема приемными устройствами излучения, генерируемого блоками генерации сигнала передающих устройств,
при этом передающие и приемные антенные системы выполнены с возможностью сканирования по всем направлениям полупространства, расположенного над земной поверхностью.
По меньшей мере один сенсорный блок контактных измерений метеорологических параметров окружающей среды может быть размещен на беспилотном летательном аппарате.
В системе по меньшей мере одно передающее устройство и одно приемное устройство структурно могут быть выполнены как одно целое с образованием объединенного приемо-передающего устройства с возможностью работы элементов конструкции в режиме приема или передачи сигнала в зависимости от поставленных задач.
Передающая и принимающая антенные системы могут представлять собой фазированные антенные решетки.
Также по меньшей мере одна антенная система из совокупности передающих и приемных антенных систем может представлять собой фазированную антенную решетку, а по меньшей мере одна антенная система из указанной совокупности - антенную систему с механическим сканированием диаграммы направленности.
Устройство управления, обработки и интерпретации радиолокационных данных структурно может быть объединено с одним из приемных или передающих устройств.
Целесообразно блок накопления данных выполнять с возможностью накопления исторических данных радиолокационных наблюдений, данных, поступающих от метеорологической сенсорной сети, и данных о локальных метеорологических условиях, поступающих от других источников информации.
Блоки синхронизации подразумевают синхронизацию передающих и приемных антенных систем по временным параметрам сигнала и по пространственному положению их диаграмм направленности.
Предпочтительно в качестве передающего устройства служит устройство непрерывного, квазинепрерывного или импульсного электромагнитного излучения.
Именно переход к многопозиционной системе локации позволяет использовать для радиолокации и непрерывные, и квазинепрерывные, и импульсные сигналы. Использование непрерывных и квазинепрерывных сигналов позволяет упростить конструкцию радиолокатора и тем самым снизить его стоимость, а многопозиционная схема позволяет решить свойственную радиолокаторам с подобными сигналами проблему - трудность определения местоположения лоцируемого объекта. В метеорологической радиолокационной системе лоцируемым объектом является участок атмосферы, который может быть однозначно выделен на пересечении диаграмм направленностей антенных систем передающего устройства (передающих устройств) и нескольких приемных устройств.
Использование многопозиционной схемы радиолокации позволяет решить еще одну проблему радиолокаторов с непрерывным или квазинепрерывным излучением - небольшой радиус действия подобных радиолокаторов, построенных по однопозиционной схеме. Проблема связана с проникновением сигнала генератора непосредственно на вход приемника и невозможностью, как это реализуется в импульсных радиолокаторах, избавиться от данного паразитного эффекта за счет запирания входа приемного устройства на время излучения сигнала. Прямое проникновение сигнала генератора на вход приемного устройства ведет к уменьшению чувствительности приемного устройства. Данный паразитный эффект на практике приводит к требованию ограничения мощности излучаемого непрерывного сигнала, а следовательно, к ограничению дальности работы радиолокатора. Многопозиционная схема радиолокации при разнесении генератора электромагнитного излучения (блока генерации сигнала) и приемного устройства на несколько километров друг относительно друга, фактически, позволяет свести на нет проблему описанного паразитного эффекта.
Переход, преимущественно, к непрерывным и квазинепрерывным радиолокационным сигналам позволяет осуществить непрерывное накопление энергии отраженных от метеорологических объектов сигналов и тем самым снизить необходимые для осуществления их радиолокационного обнаружения и анализа их параметров мощности излучения генерирующими устройствами (блоками генерации сигнала). Снижение мощности генерирующего устройства позволяет упростить и удешевить конструкцию этого устройства, а также снизить его экологическую опасность.
Снижение стоимости отдельного элемента радиолокационной системы позволяет увеличить их число в системе, а следовательно, покрыть радиолокационным метеорологическим наблюдением большую территорию, обеспечить мобильность элементов этой системы, а также частую сменяемость поколений, входящих в нее технических устройств.
Процесс радиолокации метеорологических объектов - гидрометеоров - происходит следующим образом.
Например, одно передающее устройство и приемные устройства размещаются на территории, область атмосферы над которой подлежит мониторированию. Передающее устройство размещается в центре территории, приемные устройства - равномерно распределяются по территории, таким образом, чтобы суммарные расстояния до пересечения диаграмм направленностей антенных систем передающего и приемных устройств обеспечивали необходимую для регистрации выбранных видов гидрометеоров мощность сигнала на входе приемного устройства.
Устройство управления, обработки и интерпретации радиолокационных данных (далее - Устройство управления) рассылает команды всем элементам системы на их включение и переход в рабочий режим. Выход в рабочий режим подразумевает определение каждым устройством своего географического местоположения и ориентацию антенных систем в горизонтальной и вертикальной плоскости, а также синхронизацию часов всех устройств. После выхода в рабочий режим каждое устройство системы передает информацию о своем местоположении и ориентации, а также показаниях часов устройства на устройство управления. По готовности всей локальной системы устройство управления дает команду блоку генерации сигнала на генерацию зондирующего сигнала, а приемным устройствам (блоку приема сигнала) на прием локационного сигнала, отраженного от выбранной области атмосферы. Вид зондирующего сигнала выбирается в зависимости от ожидаемого объекта мониторинга, его параметров и расстояния до него. Базовым является использование квазинепрерывных сигналов типа М-последовательностей. При больших дальностях до исследуемой области могут использоваться импульсные сигналы, что позволяет ввести при обработке дополнительный фильтр по времени прихода сигнала, обеспечивающий улучшение отсева ложных сигналов от местных объектов. Непрерывное излучение может использоваться для увеличения энергии принимаемого сигнала в процессе ее длительного накопления.
Также устройство управления дает команду антенным системам передающего устройства и приемных устройств по выбору определенной области атмосферы, параметры которой должны быть определены. Данная область выбирается на пересечении как минимум одной диаграммы направленности узконаправленной передающей антенной системы и одной диаграммы направленности узконаправленной принимающей антенной системы. Выполняется оценка мощности принятого сигнала и оценка отражаемости выбранной области пространства [См., например: Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии (Радиометеорология) Гидрометеоиздат, Л., 1969, 350 ст.]. По полному набору информации со всех последовательно выбранных областей атмосферы строится картина распределения гидрометеоров в полной области, подлежащей мониторингу.
Возможно исследование получаемого сигнала сразу по нескольким параметрам, использование сложных манипуляций сигнала.
Беспилотный летательный аппарат с сенсорным блоком контактных измерений метеорологических параметров окружающей среды позволяет привязать данные радиолокационного мониторинга к данным, полученным с помощью непосредственного (контактного) измерения, то есть позволяет производить калибровку радиолокатора. В настоящий момент данные радиолокационного мониторинга зачастую трудно интерпретируемы даже для классической (однопозиционной) схемы метеорологической радиолокации. Для многопозиционной локации это справедливо еще в большей степени. Калибровка, производимая путем набора большого объема данных для локальной территории, на которой расположена система мониторинга и анализа этих данных, в том числе с помощью систем с искусственным интеллектом, позволяет, не создавая теории локальных погодных явлений, получать данные о метеорологических параметрах атмосферы на основе радиолокационных данных.
Техническим результатом изобретения является многократное уменьшение массогабаритных размеров изделия (элементов системы), многократное уменьшение энергопотребления почти до 100-200 Вт. Реальная мощность излучения изделия многократно уменьшается и не может наносить вред окружающей среде, а тем более гражданам страны. Система не требует постоянного обслуживания и поставляет информацию о локальных метеоусловиях через интернет по месту требования. Система позволяет анализировать низкие слои атмосферы, которые обладают более высокой информативностью.