ДОППЛЕРОВСКИЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЛОКАТОР "ДМРЛ-С"

Область техники. Полезная модель относится к метеорологии, конкретно к допплеровским метеорологическим радиолокаторам с двойной поляризацией.
Уровень техники. Известны допплеровские метеорологических радиолокаторов /1-15/, далее метеолокаторы, использующих поляризованные зондирующие сигналы.
Наиболее близким по назначению и технической сущности полезной модели относится допплеровский метеорологический радиолокатор /15/, содержащий последовательно соединенные передатчик, устройство поляризации СВЧ-сигналов и антенный переключатель, соединенный по сигналам зондирования с приемо-передающей антенной и по отраженным метеорологическим сигналам - с четырехканальным радиоприемником, цифровой выход которого соединен с ЭВМ управления и обработки метеорологических сигналов.
При этом передатчик выполнен генераторным и содержит два узкополосных импульсных СВЧ-генератора (магнетроны или генераторные клистроны), разнесенные между собой по несущей частоте. Приемопередающая антенна выполнена рефлекторной с диаграммой направленности игольчатого типа и установлена на карданном подвесе с возможностью одновременного сканирования приземного слоя атмосферы ортогонально поляризованными лучами на двух различных частотах по азимуту и углу места под управлением ЭВМ.
Недостатком этого метеолокатора является относительно невысокая точность выдаваемых метеоданных и прогноза погоды, связанная с относительно высокими ошибками поляризационных измерений и юстировки каналов радиоприемника и передатчика.
Задачей полезной модели является повышение точности выдаваемых метеоданных и прогноза погоды.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является снижение ошибок поляризационных измерений и юстировки каналов радиоприемника и передатчика радиолокатора.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что допплеровский метеорологический радиолокатор с двойной поляризацией, содержащий последовательно соединенные передатчик, устройство поляризации СВЧ-сигналов и антенный переключатель, соединенный по сигналам зондирования с приемо-передающей антенной и по отраженным метеорологическим сигналам - с четырехканальным радиоприемником, цифровой выход которого соединен с ЭВМ управления и обработки метеорологических сигналов, согласно полезной модели он дополнительно содержит измеритель мощности излучения передатчика, измеритель чувствительности радиоприемника и формирователь пачек разночастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов, причем передатчик выполнен усилительным и соединен по входу с формирователем пачек зондирующих сигналов, а по второму выходу - с входом измерителя мощности излучения передатчика, цифровой выход которого соединен с первым входом ЭВМ, второй и третий управляющие выходы которой соединены с соответствующими управляющими входами формирователя пачек зондирующих сигналов, а измеритель чувствительности радиоприемника по аналоговым входам/выходам измерительного сигнала - с соответствующими входами/выходами каналов радиоприемника.
1
2
При этом передатчик выполнен в виде усилительного пролетного клистрона или твердотельного транзисторного усилителя. Формирователь пачек разночастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов содержит задающий СВЧ - генератор и двухчастотный генератор промежуточной частоты, соединенные по выходу через смеситель с сигнальным входом усилительного передатчика. Двухчастотный генератор промежуточной частоты содержит последовательно соединенные цифровой генератор коротких и длинных импульсов промежуточной частоты и цифроаналоговый преобразователь. Короткий и длинный импульсы генератора разнесены по частоте на величину ΔF, короткий импульс промежуточной частоты выполнен немодулированным, а длинный импульс - с внутриимпульсной модуляцией, длительность коротких τ и длинных τ импульсов промежуточной частоты, разнос их частот, а также временная пауза Т между ними выбраны из условий:
1
2
2
2
1
2
сж
сж
τ≈{τ}; {τ}<<τ; T≥τ+τ,
2
1
max
ΔF=F-F=1÷10 МГц, , ΔfЄ{1÷Δf},
2
сж
где: {τ} - длительность сжатого широкополосного (с внутриимпульсной модуляцией) сигнала;
1
F - частота короткого немодулированного импульса;
2
F - текущая частота длинного с внутриимпульсной модуляцией импульса;
2
- центральное значение величины F;
max
2
Δf, Δf - текущее и максимально допустимое значение девиации (отклонения) частоты F от ее центрального значения .
Приемо-передающая антенна выполнена параболической с игольчатым лучом и азимутально-угломестным электроприводом, в виде линейной фазированной антенной решетки - облучателя со сканированием по углу места, вертикально ориентированной в фокусе параболического рефлектора, снабженного азимутальным электроприводом или в виде прямоугольной фазированной антенной решетки с электронным сканированием по азимуту и углу места под управлением ЭВМ. Приемо-передающая антенна содержит один канал с горизонтальной и/или один канал с вертикальной поляризацией, причем каждый поляризационный канал соединен по отраженным эхосигналам с двумя соответствующими каналами четырехканального радиоприемника. Для снижения искажений принятых эхосигналов приемник содержит по каждой поляризации эхосигналов аттенюатор, нагруженный без ослабления на основной приемный канал и с ослаблением на 20÷40 дБ - на дополнительный приемный канал, причем каждый канал содержит последовательно соединенные супергетеродинный приемник с цифровым выходом, цифровой фазовый детектор и устройство цифровой обработки сигналов, снабженное программами фильтрации несинхронных импульсных помех, сжатия широкополосных сигналов и спектральной обработки принятых сигналов. ЭВМ управления и обработки метеорологических сигналов содержит блок управления и первичной обработки метеорологической информации и блок вторичной обработки метеорологической информации, соединенные между собой кабельной или радио линией интерфейсной связи. Блок управления и первичной обработки метеорологической информации снабжен программой привязки результатов измерений по отражаемости, радиальной скорости ширине спектра к пространственным координатам, а блок вторичной обработки - программой идентификации результатов первичной обработки сигналов программой преобразования идентифицированных метеоданных в форму удобную для их трансляции потребителям метеоданных на их абонентские пункты. Блок первичной обработки метеорологической информации снабжен приемником ГЛОНАСС/GPS для синхронизации метеорологических измерений и передачи метеоданных в системе единого времени.
Введение измерителя мощности излучения передатчика и измерителя чувствительности радиоприемника и их соответствующее подключение к ЭВМ позволяют уменьшить ошибки юстировки каналов передатчика и приемника путем измерения разъюстировки каналов по мощности и чувствительности и вычитания их из результатов измерений метеоданных и, тем самым, - повысить точность выдаваемых метеоданных и прогноза погоды.
Введение формирователя пачек двухчастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов, выполнение передатчика усилительным и соответствующее их соединение позволяет увеличить точность измерений измерения поляризационных параметров атмосферы за счет расширения спектра зондирующих сигналов и одновременно позволяет перекрыть все дальности от минимальной (сотни метров с помощью узкополосных сигналов) до максимальной (сотни км с помощью широкополосных сигналов) при сохранении требуемой точности измерений и прогноза погоды.
Рациональный выбор длительностей импульсов, периода их следования, их спектров и рациональный разнос несущих частот широкополосных и узкополосных импульсов дополнительно позволяет снизить взаимное влияние зондирующих и эхосигналов на процесс измерений поляризационных характеристик метеорологических образований в атмосфере и, тем самым, дополнительно увеличить точность выдаваемых метеоданных и прогноза погоды.
В целом указанные технические преимущества позволяют достичь заявленного технического результата и, как следствие, - решить поставленную техническую задачу.
На фигуре представлена функциональная схема допплеровского метеорологического радиолокатора с двойной поляризацией.
1
2
Описание в статике. Допплеровский метеорологический радиолокатор (метеолокатор) с двойной поляризацией содержит последовательно соединенные формирователь 1 пачек разночастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов, усилительный широкополосный передатчик 2, устройство 3 поляризации СВЧ - сигналов и антенный переключатель 4. Переключатель 4 в простейшем случае содержит два СВЧ-циркулятора 5 и 6, соединенные по сигналам зондирования с приемо-передающей антенной 7 и по отраженным метеорологическим сигналам - с четырехканальным радиоприемником 8. Цифровой выход радиоприемника 8 соединен с ЭВМ 9 управления и обработки метеорологических сигналов. Формирователь 1 пачек разночастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов содержит задающий СВЧ-генератор 10 и двухчастотный генератор 11 промежуточной частоты, соединенные по выходу через смеситель 12 с сигнальным входом усилительного передатчика 2. Двухчастотный генератор 11 промежуточной частоты содержит последовательно соединенные цифровой генератор коротких и длинных импульсов промежуточной частоты и цифроаналоговый преобразователь (на фигурах не показано). Короткий и длинный импульсы генератора 11 разнесены по частоте на величину ΔF, короткий импульс промежуточной частоты выполнен немодулированным, а длинный импульс - с внутриимпульсной модуляцией. Длительность коротких τ и длинных τ импульсов промежуточной частоты, разнос их частот, а также временная пауза T между ними выбраны из условий:
2
сж
где: {τ} - длительность сжатого широкополосного (с внутриимпульсной модуляцией) сигнала;
1
F - частота короткого немодулированного импульса;
2
F - текущая частота длинного с внутриимпульсной модуляцией импульса;
2
- центральное значение величины F;
max
2
Δf, Δf - текущее и максимально допустимое значение девиации (отклонения) частоты F от ее центрального значения .
2
сж
где: {τ} - длительность сжатого широкополосного сигнала.
1
2
2
Численное значение величин τ и τ, в выражении (1) может составлять соответственно единицы и сотни мкс. Широкополосный длинный импульс τ с внутриимпульсной модуляцией может быть выполнен в виде фазо-кодо-манипулированных (ФКМ), линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов или в виде других сложных сигналов с внутриимпульсной модуляцией.
Задающий СВЧ-генератор 10 и двухчастотный генератор 11 промежуточной частоты соединены по управляющим входам с ЭВМ 9, а по выходам через смеситель 12 с сигнальным входом передатчика 2. Передатчик 2 выполнен в виде широкополосного усилителя мощности на основе усилительного пролетного клистрона или твердотельного усилителя мощности. СВЧ-выход усилительного передатчика 2 соединен с поляризатором 3 непосредственно и через аттенюатор 13 с заданным коэффициентом ослабления с аналоговым входом измерителя 14 мощности. Измеритель 14 мощности выполнен в виде последовательно соединенных детектора и цифрового измерителя импульсной мощности зондирующих сигналов, соединенного по выходу с сигнальным входом ЭВМ 9. Поляризатор 3 выполнен в виде ферритового преобразователя поляризации СВЧ - излучения или в виде СВЧ - делителя мощности, нагруженного на ортогонально ориентированные (вертикально и горизонтально) Е - волноводы с прямоугольным сечением. Выходы поляризатора 3 с вертикальной V - поляризацией и горизонтальной Н - поляризацией соединены с первыми входами циркуляторов 5 и 6. Циркуляторы 5 и 6 соединены по сигналам зондирования с приемо-передающей антенной 7 и по отраженным метеорологическим сигналам - с четырехканальным радиоприемником 8. Антенна 7 выполнена в виде параболической антенны с игольчатым лучом, снабженной азимутальным и угломестным электроприводом 15. При других вариантах исполнения антенна 7 может быть выполнена в виде линейной фазированной антенной решетки, установленной вертикально в фокусе рефлектора и с электронным сканированием по углу места, а также электромеханическим сканированием по азимуту. Возможно исполнение антенны 7 в виде прямоугольной фазированной антенной решетки с электронным сканированием по азимуту и углу места под управлением ЭВМ. Выходы циркуляторов 5 и 6 по эхосигналам каждой поляризации Н и V нагружены на четырехканальный радиоприемник 8. Для снижения искажений принятых эхосигналов радиоприемник 8 содержит по каждой поляризации Н и V эхосигналов аттенюатор 16, нагруженный без ослабления на основной приемный канал 17 и с ослаблением на 20 -40 дБ - на дополнительный приемный канал 18.
Все каналы радиоприемника 8 выполнены по однотипной схеме и содержат последовательно соединенные блок 19 супергетеродинных приемников 17 и 18 с цифровым выходом, цифровой фазовый детектор 20 и устройство 21 цифровой обработки метеосигналов, снабженное программами фильтрации несинхронных импульсных помех, сжатия широкополосных сигналов и спектральной обработки принятых сигналов. На входах приемников 17 и 18 установлены защитные устройства и ограничители (на фигуре не показано). Защитные устройства и ограничители предназначены для защиты малошумящих усилителей приемников 17 и 18 от просачивающейся СВЧ - энергии собственного передатчика 2 и сигналов других радиотехнических средств. Для юстировки приемных каналов 17 и 18 по чувствительности и коэффициенту усиления введен измеритель 22 чувствительности приемных каналов. Он соединен по калиброванному выходу с входами блока 19 супергетеродинных приемников 17 и 18 с вертикальной и горизонтальной поляризацией, а по измерительному входу - с их цифровыми выходами. Измеритель 22 и устройство 21 цифровой обработки сигналов соответственно по результатам измерений численных значений разъюстировки приемных каналов и результатам обработки эхосигналов соединены с ЭВМ 9. ЭВМ 9 содержит блок 23 управления и первичной обработки метеосигналов и блок 24 вторичной обработки метеосигналов, соединенных между собой кабельной «витая пара», оптической или радиолинией интерфейсной связи. Блок 23 снабжен приемником 25 ГЛОНАСС/GPS для синхронизации метеорологических измерений и передачи метеоданных в системе единого времени, а также программой привязки результатов измерений по отражаемости, радиальной скорости ширине спектра гидрометеоров к их пространственным координатам. Блок 24 вторичной обработки снабжен программой идентификации результатов первичной обработки сигналов, программой преобразования идентифицированных метеоданных в форму удобную для их трансляции потребителям метеоданных на их абонентские пункты.
Описание в динамике. Допплеровский метеорологический радиолокатор (метеолокатор) с двойной поляризацией работает следующим образом.
1
2
1
2
2
1
Под управлением ЭВМ 9 формирователь 1 пачек двухчастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов генерирует последовательность пачек состоящей из двух радиоимпульсов: короткого узкополосного (немодулированного по несущей частоте) радиоимпульса и широкополосного длинного радиоимпульса с внутриимпульсной модуляцией, разнесенных между собой по частоте на 1-10 МГц и по времени Т≥τ+τ где τ, τ, длительность узкополосного и широкополосного зондирующих импульсов. Далее эти сигналы поступают на клистронный передатчик 2, где усиливаются и передаются на поляризатор 3. Поляризатор 3 разделяет радиоимпульсы на два канала с ортогональными поляризациями и через антенный переключатель 4 передает их на антенну 7 с заданным ЭВМ 9 угловым направлением зондирования. Далее антенна 7 излучает принятые сигналы в окружающее воздушное пространство «игольчатым» или «веерным» лучом с двумя ортогональными поляризациями. Отраженные от гидрометеоров поляризованные эхосигналы, несущие информацию о поляризационной структуре гидрометеоров, их виде (дождь, снег), поперечном размере и угловой скорости движения принимаются антенной 7 и далее через переключатель 4 поступают на соответствующие по поляризации основные 17 и дополнительные 18 каналы радиоприемника 8. Слабые эхосигналы от дальних метеообъектов проходят через основной канал 17 без ослабления. В случае прихода мощных сигналов от ближних метеообъектов и перегрузки основного канала 17 эхосигналы от метеообъектов принимаются и обрабатываются дополнительным каналом 18. Четырехканальный радиоприемник 8 осуществляет оптимальное режектирование, усиление, преобразование и детектирование принятых эхо-сигналов. В его блоке 19 супергетеродинных приемников 17 и 18 производится усиление и преобразование эхосигналов на промежуточную частоту и в цифровую форму. Усиленные в приемниках 17 и 18 сигналы в цифровой форме передаются на соответствующие цифровые фазовые детекторы (ФД) 20. В каждом ФД 20 измеряются квадратурные составляющие сечений гидрометеоров и формируются соответствующие по частоте и поляризации матрицы цифровых сигналов, несущих информацию о параметрах гидрометеоров в угловом направлении зондирования атмосферы. Далее сформированные матрицы цифровых сигналов передаются на устройство 21 цифровой обработки метеосигналов. В устройстве 21 производится цифровая фильтрация несинхронных импульсных помех, сжатие широкополосных сигналов и/или спектральная обработка принятых широкополосных и узкополосных сигналов соответствующих каналов радиоприемника 8. В результате сжатия сложные сигналы длительностью τ мкс сжимаются до элемента разрешения τ мкс с уровнем боковых лепестков по дальности ниже 40 дБ. Далее после фильтрации нулевой скорости принятые сигналы поступают в блок 23 управления и первичной обработки метеосигналов для формирования конических сечений метеорологических параметров гидрометеоров (отражаемость, радиальная скорость, ширина спектра) и далее по результатам обработки двух поляризаций дополнительные параметры гидрометеоров: дифференциальная отражаемость, дифференциальная фаза, коэффициент кросскорреляции. В режиме излучения только горизонтальной поляризации - линейное деполяризационное отношение метеосигналов. Для повышения точности измерения параметров метеообъектов применяется система измерения параметров локатора: измеритель 14 мощности излучаемых сигналов и измеритель 22 чувствительности приемников. Измеритель 14 измеряет импульсную мощность и частоту зондирующих сигналов и передает их в блок 23 для введения поправок в порогобнаружения полезных метеосигналов по амплитуде, а также для установки порога подавления «местников» по нулевому допплеровскому сдвигу частот по зондирующему сигналу и отраженным от гидрометеоров метеосигналам. Измеритель 22 вводит на вход супергетеродинных приемников 17 и 18 всех поляризаций калиброванный сигнал и измеряет его усиленное значение на их выходах для оценки численных значений разъюстировки по чувствительности и коэффициенту усиления приемных каналов 17 и 18 для введения соответствующих поправок в блоке 23 в алгоритм расчета конических сечений гидрометеоров. После окончания расчетов параметров гидрометеоров в выбранном направлении зондирования в блоке 23 производится привязка расчетов к сигналам единой службы времени ГЛОНАСС/GPS (приемник 25). Далее с блока 23 на силовой привод 15 антенны 7 и ее облучатель 26 выдается очередное угловое направление зондирования атмосферы. При этом отрабатывается указанное направление зондирования и диаграмма направленности антенны 7 ориентируется в новом заданном ЭВМ 9 угловом направление зондирования. Далее блок 23 управления ЭВМ 9 выдает командные сигналы на формирователь 1 для генерации очередной последовательности пары узкополосного и широкополосного сигналов зондирования и процесс измерения и накопления параметров гидрометеоров и их сложных метеообразований в зоне ответственности метеолокатора повторяется. При этом обзор пространства осуществляется с использованием изменения периодов повторения для определения однозначной скорости метеообъектов в диапазоне не менее минус 50+50 м/с.Одновременно рассчитанные в блоке 23 метеоданные поступают на блок 24 их вторичной обработки. В блоке 24 производится привязка метеоданных к территории измерений. Определяются направления движения опасных метеообразований (вихрей, бурь, штормов), прогноз развития метеообстановки и степени ее опасности для авиации и населения близлежащих территорий. Далее в этом блоке производится преобразованиеметеоданных к удобной форме для потребителей метеоданных и абонентских служб МЧС.
Данная полезная модель не ограничивается вышеприведенным примером ее осуществления. В рамках данной полезной модели возможны и другие варианты ее осуществления. Так блок 24 вторичной обработки метеосигналов может быть размещен в удаленном региональном центре МЧС, связанным цифровыми оптическими и/или радиолиниями интерфейсной связи с блоками 23 управления метеолокаторов, расположенных на территории одного или нескольких регионов. Метеолокатор может быть оснащен автоматизированной системой контроля функционирования метеолокатора, проведения его диагностирования с целью определения его технического состояния и локализации неисправности (отказа) с точностью до конструктивно и функционально законченного элемента, формирования команд управления режимами работы, включения (отключения) аппаратуры изделия.
Полезная модель разработана на уровне опытного образца и может быть использовано в службах управления воздушным движением, штормооповещения, активных воздействий и других потребителей метеоданных о погоде.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Doviak, R.J., V. Bringi, A. Ryzhkov, A. Zahrai, D.S.Zmic. Considerations for Polarimetric Upgrades to Operational WSR-88D Radars. J. Atmos. and Oceanic Tech, 2000.17, 257-278.
2. Liu, Y., J.W.Conway, E.A.Brandes, A.V.Ryzhkov, J. Vivekanandan, D.S.Zmic, R. Oye. The use of polarization data in the operational identification of hydrometeor and non-hydrometeor targets. Preprints, 29th Conf. Radar Meteor. Montreal, Canada: American Meteorological Society 1999:178-179
3. Ryzhkov A., R.Lopez, R. Fulton, D. Zmic, T. Schuur, Y. Liu. "Hydrometeor classification with a polarimetric radar for improved rainfall measurements and detection of hail and electrically charged regions. Preprints.” 29th Conference on Radar Meteorology Montreal, Canada: American Meteorological Society, 1999:289-292.
4. Ryzhkov, A.V. D. S.Zmic. "Discrimination between rain and snow with a polarimetric radar". Journal of Applied Meteorology 1999:1228-1240.
5. Ryzhkov, A.V., D.S.Zmic, R.Fulton. "Area Rainfall Estimates Using Differential Phase". Journal of Applied Meteorology 2000:263-268.
rd
6. Skolnik, Merrill I. Introduction to Radar Systems. New York: 3 ed 2001.
7. Vivekanandan, J., D.S.Zmic, S.M.Ellis, R. Oye, A.V.Ryzhkov, J.Straka. "Cloud microphysics retrieval using S-band dual- polarization radar measurements." Bulletin of the American Meteorological Society 1999: 381-388.
8. Zahrai Alien, Dr. Dusan Zmic. "Implementation of Polarimetric Capability for the WSR-88D (NEXRAD) Radar." Long Beach, CA. American Meteorological Society 1997.
9. Zmic, D.S., A.V.Ryzhkov. "Polarimetry for weather surveillance radars". Bulletin of the American Meteorological Society 1999: 389-406.
10. US 5500646.
11. WO 2006/052431 (18.05.2006)
12. RU 2394254
13.CN 1800876 (2006.07.12)
14.JP9281131 (1997.10.31)
15. US 7355546 (WO 2007079472, 2007.07.12)