Экспериментальная проверка способности обнаружения метеообразований новым посадочным радиолокатором

УДК 621.396

Н. В. Кхыонг

Московский физико-технический институт

Экспериментальная проверка способности обнаружения метеообразований новым посадочным радиолокатором

Исследуется возможность применения нового посадочного радиолокатора (ПРЛ), разработан ОАО «НИИДАР» для обнаружения облака и определения интенсивности осадков на базе измерения энергических характеристик отраженных сигналов. Приводятся краткое описание метода, методика проведения эксперимента и его результаты. Рассматриваются проблемы, возникающие при практической реализации нового метода. Делается вывод о возможности его использования радиолокатора для обнаружения и метеообразований.

Ключевые слова: посадочный радиолокатор, интенсивность осадков, энергические характеристики сигнала, обработка сигналов, обнаружение опасных явлений погоды.

N. V. Khuong

Moscow Institute of Physics and Technology

Experimental test of the ability to detect weather patterns

by a new landing radar

The paper examines a possibility to use a new landing radar (PRL) developed by «NIIDAR»to detect clouds and determine precipitation intensity based on the use of the energy characteristics of reflected signals. A brief description of the method, the methodology of the experiment and its results are given. Problems arising in the practical implementation of the new method are considered. The conclusion of a possibility of its use of a radar for the detection and classification of meteorological events is made. The capture range is extended by the wave propagation model.

Key words: landing radar, precipitation intensity, signal energy characteristics, signal processing, hazardous weather detection.

1. Введение

Радиолокационное оборудование большей части аэродромов в настоящее время устарело и нуждается в модернизации. Разрабатываемые радиолокаторы посадки нового поколения, помимо непосредственной задачи контроля глиссады заходящего на посадку самолета, позволят также получать информацию о метеообразованиях в зоне ответственности. Особенностью предлагаемой структуры радиолокатора является параллельный обзор пространства, работа в непрерывном режиме и использование круговой поляризации антенной системы в Х-диапазоне. Реализация разрабатываемых алгоритмов контроля над метеообразованиями позволит обеспечить получение полной информации как о воздушных судах, так и о состоянии атмосферы в зоне посадки, при помощи посадочного радиолокатора.

Цель работы состоит в исследовании способности обнаружения облака и оценивания интенсивности осадков в зоне ответственности локатора, основанного на использовании энергических характеристик принимаемого сигнала.

© Кхыонг Н. В., 2020

(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2020

2. Принципы метеорадиолокации

В радиолокационной метеорологии принято рассматривать метеообразования как совокупность большого количества отдельных метеочастиц (капель воды, снег, градин и т.д.). Размер этих частиц достаточно мал по сравнению с длиной волны, и для нашего радиолокатора их можно считать точечными целями. В силу того, что отраженный от точечной цели сигнал повторяет по форме зондирующий, его средняя мощность определяется основным уравнением радиолокации [1]: " р _ РСАк

г (4 ъ)2П4 1 }

где К — дальность до цели; Р — средняя мощность передатчика; ац — эффективной площадь рассеяния (ЭПР) цели; к — множитель ослабления; С — коэффициент усиления передающей антенны; А — эффективная площадь принимающей антенны.

Для оценки отражающих свойств частиц облаков и осадков применяется ряд связанных между собой характеристик: эффективная площадь рассеяния г-й частицей ел, удельная площадь обратного рассеяния частиц облаков и осадков г] и радиолокационная отражаемость Z(]l.

Для расчета эффективной площади рассеяния г-й частицей (ц осуществляется функция Бесселя и Ханкеля [1]:

\ 2 к=гх

^ I £

к-1

где Ск и Ьк являются амплитудами парциальных волн.

Для малых частиц сферической формы ЭПР отдельного гидрометеора описывается формулой Релея [1]:

«_ 12, <3>

т2 — 1 I 2 ^

з -диаметры отражающих частиц; | т2+212 — комплексный показатель преломления частиц (для воды равно 0, 93 ± 0, 004 и для льда равно 0,197).

Радиолокационной отражаемостью называется величина, характеризующая отражающие свойства единичного объема гидромеиеоров. Она определяется по формуле [3]:

* _ I2  м

Из уравнения (4) величина радиолокационной отражаемости имеет следующие особенности:

- радиолокационная отражаемость метеообразований не зависит от длины волны Л;

- радиолокационная отражаемость метеообразований не зависит от каких-либо технических характеристик нашего ПРЛ, используемой для радиометеорологического зондирования метеообразований.

Удельная площадь рассеяния определяется выражением

, = £ Е^6!^ I2'

или

ж5

V _ Д4

Формулы (4) и (5) для ^ и г] выражают еще одну особенность радиометеорологической информации: удельная площадь рассеяния и радиолокационная отражаемость сильно зависят от размеров частиц (в шестой степени) в метеорологическом объекте.

Если мы имеем ПРЛ с шириной диаграммы направленности одного луча по азимуту и углу места в, р и длительностью посылаемого сигнала Та, то такой сигнал будет занимать в пространстве сТа, (с — скорость распространения радиоволн).

Рассеянный от этого объема сигнал будет возвращаться к радиолокатору не из всего объема, а из его части, равной сТа/2:

Рис. 1. Отражающий объем облака

Отражающий объем в радиометеорах часто называют разрешающим объемом, и такой объем Ур будет определяться выражением [4]:

т _ к6<рВ.2сТа

Ур _ 161п2 • 10

В реальных условиях, особенно при наблюдении метеорологических объектов на значительных длинных посылаемых сигналов, разрешаемый объем пространства, который увеличивается по мере роста расстояния, может оказаться лишь частично заполненным отражающими частицами. Соответствующее уменьшение ЭПР метеорологического объекта учитывают с помощью коэффициента заполнения: Коэффициент заполнения к3 объёма атмосферными метео частицами будет определяться с помощью неравенства

0 <к3< 1.

Эффективная площадь рассеяния отражающих) объема имеет вид

^ _ 1б№2 ^

Уравнение радиолокации атмосферных метеообразований для нашего ПРЛ записывается следующим образом:

_ к5Р^б^8гсТа;кк3 г _ 64Л61п 2 В? • ^

где с — скорость света; Бг — геометрическая площадь приемной антенны; — геометрическая площадь передающей антенны; 7 — коэффициент использования поверхности антенн;

_ отражаемость осадков.

Разделив обе части уравнения (10) на Рг = Рш (соответственно уровень шумов ири-емного устройства или минимальная мощность отраженного сигала), а также объединив

технические параметры ПРЛ в одну постоянную величину (Пм), получим уравнение радиолокации атмосферных образований в сокращенном виде с учетом способа измерений мощностей отраженных сигналов:

Р- = Пм -рт^ккз,

где величина

= п5Р 7 2вуЗгБгсТ2 ш = 64РША61п 2 1 ]

называется метеорологическим потенциалом радиолокатора.

Параметры нашего посадочного радиолокатора (ПРЛ) представлены в таблице:

Таблица1

Параметры ПРЛ

Параметр Значение Значение 10^(), дБ

Р, Вт 100 20

Та, С 0,1 _ю

А, м 0,03 -15,229

м2 0,01 -20

Бг, м2 0,192 -7,167

с 3-108 84,771

7 0,9 -0,458

9, рад 0,021 -16,792

(р, рад 0,139 -8,57

, 13т 1,0410-18 -179,83

Пм 1Д58-1031 311

В таблице представлены постоянные значения Пм ПРЛ, которые определяют их энергетический потенциал и позволяют сравнивать различные метеолокаторы с точки зрения их эффективности для метеорологических наблюдений [1]. Чем больше потенциал, тем лучше станция приспособлена для метеонаблюдений.

Радиолокационная отражаемость облаков и осадков связана с основными их характеристиками - водностью облаков ш0б и интенсивностью осадков I. Это обусловлено тем, что оба этих параметра зависят от размеров частиц и закона их распределения по размерам. По результатам расчетов с помощью микрофизических исследований распределения метеочастиц по размерам Маршалла и Пальмера [1, 2] была получена зависимость между об и I:

- для облаков 29 мкм:

= 0, 048ш2Й,

- для снега:

гл = 200012,

- для облака с осадками или дождя:

га = 200/1>6,

где ^ измеряется в мм6м-3 и I в дБЪ или в мм/ч.

^ (т^) = 3) = 1018%(М3),

В связи с тем, что величина Рг/Рш измеряется в децибелах, от формулы (3) величину удобно вычислить в децибелах относительно Z<l _ 1 по следующей формуле:

С помощью уравнения (17) по результатам измерений Рг/Рш в децибелах и К при заданных параметрах радиолокатора легко получить величину ^ Zd.

Отсюда ясно, что радиолокационная отражаемость является одной из основных характеристик, которая измеряется с помощью ПРЛ, и радиометеорологический метод зондирования является наиболее эффективным при обнаружении и определении метеообразования.

3. Экспериментальные исследования способности обнаружения облака и оценивания интенсивности осадков

В рамках работ, проводимых с радиолокатором на полигоне (на базе аэродрома Змеёво в г. Тверь) 10 июля 2019 года, были проведены натурные испытания и проверка способности обнаружения облака посадочным радиолокатором. Обработка сигнальных данных проводилась в нереальном масштабе времени (анализировались записи). Использовалась только курсовая антенна.

Методика проведения эксперимента определяла следующую последовательность выполнения операций:

- запись сигнальных данных при выключении передатчика;

- запись сигнальных данных при включении передатчика и отсутствии метеообразова-

- запись сигнальных данных при включении передатчика и наличие метеообразования;

- запись сигнальных данных при включении передатчика и наличие облака с осадками в различные моменты времени.

В процессе оперативных экспериментальных исследований ряд параметров уравнения (17) определить невозможно. По этой причине введем допущение: в зоне ответственности ПРЛ не учитывается ослабление радиоволн при их распространении до цели и обратно, а также влияние подстилающей поверхности на диаграмму направленности к _ 0.

В качестве испытания на рис. 2 представлены результаты первичной обработки уровня принимаемого сигнала в зависимости от расстояния: а) при выключении передачика, б) при включении передатчика и отсутствии метеообразования. По рисунку видно, что среднее значение уровня принимаемого сигнала монотоно уменьшается по расстоянию и номированой мощности шумов приемного устройства или минимальной мощности принимаемого сигнала 10^ Рш = 56 дБ.

На рис. За и 36 уровень отраженного сигнала от облаков был настолько велик, примерно от 10 дБ до 25 дБ больше уровня сигнала (рис. 2а и 26), без облаков, что позволял обнаружить метеоцели даже без использования порог (карты помех). Следовательно, данный новый ПРЛ может обнаруживать облака с осадками в зоне ответственности локатора на удалении до 40 км.

На рис. За приведен уровень принимаемого сигнала в 13:00 десятого июля 2019 года на аэропорте Змеёво. Здесь же указаны расстояния локатора до облака, примерно К = 11 км на протяженности А К = 4 км, соотвествуюшим 10 ^ к3 _ -35, 74 дБ. Подставив эти величины в формулу (17), получаем радиолокационную отражаемость

^ гл _0,1

ния;

а)

б)

Рис. 2. Зависимосить нормированного уровеня нринимемого сигнала от расстояния а) при выключении нередачика, б) при включении передатчика и отсутствии метеообразования

а)

б)

Рис. 3. Зависимость уровня сигнала от дальности в 13:00 часов

Моделирование карты местности и выявленных метеобъектов осуществляется при использовании в качестве системы отображения информации па экране спецвычислителя. В качестве обработки данных па рис. 4а и 5а представлена радиолокационная карта облаков с осадками, полученная с помощью нового посадочного радиолокатора (ПРЛ).

Ниже приведены расчеты отражаемости ^ и интенсивности осадков I (мм/ч) в 13:00 часов, соответствующие формулам (15) и (18) при получении отношения 10^(Рг/Рш).

Т а б л и ц а 2

Расчет радиолокационной отражаемости и интенсивности в 13:00 часов

101д( Р г/Р ш) 20 22 24 26 28 30

0,47 0,67 0,87 1,07 1,27 1,47

I (мм/ч) 0,07 0,10 0,13 0,17 0,23 0,30

На рис. 4а и 46 представлены Яндекс-карта осадков и фото облака на этом месте в 13:00 часов.

а

б) в)

Рис. 4. Карта облака с осадками по нашего ПРЛ

На рис. 36 приведен уровень принимаемого сигнала в 16:00 десятого июля 2019 года на аэропорте Змеёво. Здесь же указаны расстояния локатора до облака, примерно Я = 5 км на протяженности Д Я = 3, 5 км, соотвествуюшим 10 ^ к3 = -36, 32 дБ. Подставив эти данные в формулу (17), получаем радиолокационную отражаемость Z¿•.

^ гл = 0,1^10^^ - 200,48^ .

Ниже приведены расчеты отражаемости (дБZ) и интенсивности осадков I(мм/ч), соответствующие по формуле (15) и (19) при получение отношение 10^ (Рг/Рш).

ТаблицаЗ

Расчет радиолокационной отражаемости и интенсивности в 16:00 часов

101д (Р г/Рш) 44 45 46 47 48

^, дБ^ 2,35 2,45 2,55 2,65 2,75

I (м м/ч) 1,08 1,24 1,44 1,66 1,91

б)

Рис. 5. Карта облака с осадками по нашему ПРЛ

а

На рис. 4а и 5а представлены карты облака с осадками в 13.00 и в 16.00 часов в Тверской области 10 июля 2019 года на нащем радиолокаторе. На рисунке отображается метеообстановка в полярных координатах «азимут-дальность» относительно местоположения локатора. Используется следующая цветовая кодировка:

- На рис. 4а выделяются три зоны: синий - слабый дождь с интенсивностью меньше 0,1 мм/ч, жёлтый - осадки с интенсивностью 0,1-0,2 мм/ч и красный - осадки с интенсивностью больше 0,3 мм/ч.

- На рис. 5а выделяются три зоны: синий - слабый дождь с интенсивностью меньше 1,1 мм/ч, жёлтый - осадки с интенсивностью 1,1-1,5 мм/ч и красный - осадки с интенсивностью больше 1,9 мм/ч.

Хорошо просматривается изменение интенсивности дождя внутри зон осадков, причём одна расположена прямо по курсу локатора, относительно Яндекс-карты осадков (рис. 46 и 56) и фото облака (рис. 4в и 5в). Очевидно, что данные от ПРЛ дополняют картину распределения облачности, полученную по станционным наблюдениям, и дают информацию об облачности по территории.

Результаты экспериментальных исследований сводятся к следующим выводам:

- Данный ПРЛ может обнаружить облака с осадками в зоне ответственности локатора на удалении до 40 км.

- Карта интенсивности осадков по ПРЛ соответствует Яндекс-карте осадков и фактическим фото облаков в зоне ответственности радиолокатора.

4. Заключение

Таким образом, полученные экспериментальные данные могут быть использованы в качестве исходных для оценки способности обнаружения и классификации опасных метеорологических явлений на аэродроме. Данный посадочный радиолокатор, помимо непосредственной задачи контроля глиссады заходящего на посадку самолета, также позволяет получать информацию о метеообразованиях в зоне ответственности радиолокатора.

Литература

1. Брылёв Г.Б., Гтшта С.Б., Низдойминого, Г.Л. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1986. 234 с.

2. Степаненко В.Д. Радилокация в метеорологии. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1966. 350 с.

3. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1988. 512 с.

4. Руководящий документ, РД 52.04-321-91 Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов MP. 1-1. MP. 1-2. MP. 1-5. Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 1993. 357 с.

References

1. Brylyov G.B., Gashina S.B., Nizdoyminoga G.L. Radar characteristics of clouds and precipitation. Leningrad : Gidrometeoizdat, 1986 234 p. (in Russian).

2. Stepanenko V.D. Radar in meteorology. Leningrad : Gidrometeoizdat, 1966. 350 p. (in Russian).

3. Doviak R., Zrnich D. Doppler radars and meteorological observations. Leningrad : Gidrometeoizdat, 1988. 512 p. (in Russian).

4. Guidance document RD 52.04-321-91. Guidelines for the production of observations and the use of information from non-automated radars MRL-1, MRL-2, MRL-5. Sankt-Petersburg : Gidrometeoizdat, 1993. 357 p. (in Russian).

Поступим в редакцию 09.12.2019