ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА ДЛЯ ОБНАРУЖИТЕЛЯ СДВИГА ВЕТРА
DEVICE FOR MEASURING VERTICAL COMPONENT OF WIND VELOCITY FOR WIND SHIFT DETECTOR

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано в авиационных системах обнаружения зон сдвига ветра.
В настоящее время доказано, что причиной большинства происшествий во время совершения воздушными судами (ВС) взлета/посадки является сдвиг ветра. Сдвиг ветра (СВ) - это атмосферное явление, при котором вектор скорости ветра претерпевает существенные изменения по величине и направлению на малых и средних пространственных масштабах. Пространственный масштаб СВ составляет примерно 1…4 км, временная длительность - 5…15 мин. Наиболее опасным для авиации считается разновидность СВ, получившая в научно-технической литературе название «микровзрыв» (англ. «microburst»). Микровзрыв - это мощный вертикальный порыв влажного холодного воздуха, направленный к поверхности земли, который порождает значительные флюктуации вектора скорости ветра при своем взаимодействии с поверхностью. Чрезвычайная опасность этого явления для ВС, совершающих взлет или посадку, заключается в том, что при попадании в зону микровзрыва экипаж вынужден изменять силу тяги двигателей и угол атаки крыльев ВС вблизи земной поверхности в условиях быстрого изменения ветрового поля. В силу значительной инерционности системы управления ВС это может привести к столкновению с землей.
Опасность СВ оценивается в настоящее время с помощью F-фактора, который представляет собой безразмерный параметр, связанный с скоростью изменения высоты полета ВС в условиях сдвига ветра:
H
V
где W и  - горизонтальная составляющая вектора скорости ветра и ее скорость изменения соответственно, W - вертикальная составляющая вектора скорости ветра, g - ускорение свободного падения, ν - воздушная скорость ВС. Отрицательные значения F-фактора соответствуют улучшению условий полета, положительные - их ухудшению. Значение F≥0,13 сигнализирует о потенциально опасной ситуации СВ.
Как следует из (1), оценка F-фактора требует знания полного вектора скорости ветра. Существующие в настоящее время когерентные метеорологические радиолокаторы (МРЛ) способны измерять проекцию полного вектора скорости ветра в наблюдаемом разрешаемом объеме на направление визирования (линию, соединяющую фазовый центр антенны МРЛ и центр разрешаемого объема). Это связано с тем, что для измерения скорости ветра используется оценка доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала
R
V
H
H
R
где V - скорость сближения МРЛ (доплеровская скорость) и метеочастиц (гидрометеоров) в разрешаемом объеме, λ - рабочая длина волны МРЛ. В силу того, что вертикальная составляющая скорости ветра W направлена практически перпендикулярно линии визирования для МРЛ, находящегося на значительном удалении от наблюдаемого разрешаемо объема, в обычном МРЛ невозможно ее измерить. Сказанное относится (правда, в меньшей степени) и к измерениям горизонтальной составляющей скорости ветра W, поскольку направление движения воздуха в разрешаемом объеме может быть любым, и в общем случае W≠V.
R
V
H
Для того чтобы иметь возможность вычислить F-фактор при отсутствии информации о вертикальной скорости ветра, в настоящее время используются различные теоретические модели СВ и микровзрыва, которые позволяют по измерениям скорости сближения V рассчитать W и W. Устройства, основанные на подобных моделях, не могут считаться достаточно точными, поскольку СВ представляет собой чрезвычайно сложное физическое явление, которому присуща большая степень априорной неопределенности. Разработанные же математические модели либо являются очень сложными для их реализации в МРЛ в условиях ограничений на доступные вычислительные и временные ресурсы, либо основаны на упрощенных предположениях о характере движения воздушных масс и их взаимодействии с поверхностью земли (например, на гипотезе о несжимаемости воздуха, пространственной симметричности растекания воздуха по поверхности и т.п.).
Известно устройство для измерения вертикальной составляющей скорости ветра, содержащее антенну, когерентный приемопередатчик, измерители средней доплеровской частоты, ширины спектра принятого сигнала и коэффициента асимметрии спектра принятого сигнала, см. патент US 5130712.
Для определения вертикальной составляющей скорости ветра в этом устройстве осуществляется измерения следующих трех параметров спектра принятого сигнала в каждом разрешаемом объеме контролируемого пространства: среднюю доплеровскую частоту, ширину и коэффициент асимметрии. Устройство содержит отдельный измеритель для каждого параметра. Недостатками этого устройства являются:
1. Для точного измерения коэффициента асимметрии спектра, величина которого обычно невелика, необходимо большое время наблюдения, что недопустимо при оперативном обнаружении зон сдвига ветра.
2. Для оценки вертикальной составляющей используется предположение о том, что среднеквадратическое значение скорости ветра равно 1 м/с, что не всегда соответствует действительности, поскольку этот параметр вследствие турбулентного характера движения воздуха в зоне сдвига ветра может принимать широкий спектр значений. Указанное выше обуславливает недостаточную точность измерений.
Также известен измеритель вертикальной составляющей скорости ветра для обнаружителя зон сдвига ветра, включающий передатчик, циркулятор, первую и вторую антенны с общим приводом, первый и второй приемники, первый и второй блоки узкополосных фильтров, первый и второй вычислители средних доплеровских частот принимаемых сигналов, вычислитель среднего арифметического значения, вычитатель, датчик углового положения антенн и цифровой сигнальный процессор; первое плечо циркулятора соединено волноводом с первой антенной, второе его плечо соединено с входом первого приемника, датчик углового положения антенн механически связан с общим приводом антенн, а его выход соединен с первым входом цифрового сигнального процессора, выход которого соединен с входом обнаружителя сдвига ветра (на схеме не показан), см. патент СА 2125028. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
1
2
Максимумы диаграмм направленности (ДН) антенн разнесены по углу места на угол δ. Зондирующие радиоимпульсы, генерируемые передатчиком, через циркулятор подаются на вход первой антенны и периодически излучаются в пространство. Ширина ДН первой антенны выбрана равной сектору наблюдения по вертикали. Отраженные метеочастицами радиосигналы принимаются первой и второй антеннами. Принятые антеннами радиосигналы поступают в первый и второй приемники, где осуществляется их усиление и фильтрация. Выходными сигналами приемником являются оцифрованные синфазная и квадратурная компоненты принятых радиосигналов. Эти сигналы поступают в блоки узкополосных цифровых фильтров, выходные сигналы которых используют для оценки средних доплеровских частот F и F
n
j
n
1
2
где N - количество фильтров в одном блоке; f, n=1, …, N - средние частоты полос пропускания фильтров блока; S(f) - сигнал на выходе n-го фильтра j-го блока. По средним доплеровским частотам на основании (2) F и F определяют радиальные скорости ветра
1
2
Далее вычисляют среднее арифметическое скоростей  и их разницу Δ=F-F. Горизонтальную и вертикальную составляющие вектора скорости ветра вычисляют в цифровом сигнальном процессоре на основе решения следующей системы уравнений
где θ - угол места максимума ДН первой антенны, который поступает в сигнальный процессор от датчика углового положения.
Данное устройство позволяет измерить вертикальную составляющую скорости ветра, однако точность этих измерений невысока, поскольку:
1. При наблюдении в направлении горизонта, что характерно для МРЛ, работающих в режиме обнаружения зон сдвига ветра, значения вертикальной скорости ветра малы, и для ее точного измерения необходимо большое время наблюдения, что недопустимо для оперативного обнаружения зон сдвига ветра.
2. Вследствие смещения ДН антенн углу места принимаемые сигналы формируются разными ансамблями метеочастиц, средние скорости перемещения которых могут быть некоррелированы друг с другом, что приведет к дополнительным ошибкам в оценке значений составляющих скорости ветра.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения точности измерения составляющих полного вектора скорости ветра в когерентном метеорологическом радиолокаторе и тем самым повышения качества обнаружения в атмосфере зон сдвига ветра.
ν
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в измеритель вертикальной составляющей скорости ветра для обнаружителя сдвига ветра, содержащий передатчик, первый и второй приемники, циркулятор, первую и вторую антенны с общим приводом, цифровой сигнальный процессор и датчик углового положения антенн, при этом первое плечо циркулятора соединено с первой антенной, второе плечо циркулятора соединено с входом первого приемника, датчик углового положения антенн механически связан с общим приводом антенн, а его выход соединен с первым входом цифрового сигнального процессора, выход которого соединен с входом обнаружителя сдвига ветра, дополнительно содержит вычислитель взаимной корреляционной функции, определитель положения максимума взаимной корреляционной функции, делитель мощности и дополнительный циркулятор, третье плечо циркулятора соединено с первым выходом делителя мощности, второй выход которого соединен с третьим плечом дополнительного циркулятора, первое плечо которого соединено с второй антенной, а второе плечо соединено с входом второго приемника, выход которого соединен с первым входом вычислителя взаимной корреляционной функции, выход которого соединен с входом определителя положения максимума взаимной корреляционной функции, выход которого соединен с вторым входом цифрового сигнального процессора, выход передатчика соединен с входом делителя мощности, а выход первого приемника соединен со вторым входом вычислителя взаимной корреляционной функции, при этом цифровой сигнальный процессор предназначен для вычисления вертикальной составляющей скорости ветра W в соответствии с формулой:
ν
max
max
W=d/τ·cosθ, где θ - угол наклона диаграммы направленности первой и второй антенн, τ - значение аргумента взаимной корреляционной функции, при котором взаимная корреляционная функция принимает наибольшее значение, d - расстояние, на которое разнесены фазовые центры первой и второй антенн по вертикали.
max
V
Скорость движения метеочастиц (ветра) имеет как детерминированную, так и случайную компоненты. Вследствие этого сигналы, принимаемые антеннами, разнесенными по вертикали на определенное расстояние, не тождественны, но являются сильно коррелированными. Мерой этой корреляции является их взаимная корреляционная функция, которая достигает своего максимума при значении ее временного аргумента , где d - расстояние между фазовыми центрами антенн, W - средняя скорость перемещения метеочастиц (ветра) в направлении, перпендикулярном лучам антенн; исходя из определения положения максимума взаимной корреляционной функции (момента τ) устройство позволяет весьма точно определить значение скорости  и ее вертикальной составляющей W=Wcosθ, где θ - угол наклона ДН антенн. При этом делитель мощности и дополнительный циркулятор выполняют коммутационную функцию. Таким образом, реализация признаков настоящего изобретения позволяет достаточно точно определить вертикальную составляющую W скорости метеочастиц (ветра), несмотря на наличие случайной компоненты их движения.
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена блок-схема устройства.
Измеритель вертикальной составляющей скорости ветра для обнаружителя 1 сдвига ветра содержит передатчик 2, первый 3 и второй 4 приемники, циркулятор 5, первую 6 и вторую 7 антенны с общим приводом (на схеме не показан), цифровой сигнальный процессор 8 и датчик углового положения антенн 9.
В качестве обнаружителя 1 сдвига ветра в конкретном примере может быть использован обнаружитель, описанный в патенте СА 2125028, Fig. 4, 6. В качестве передатчика 2, первого 3 и второго 4 приемников, циркуляторов 5 и 13, первой 6 и второй 7 антенн, датчика углового положения антенн 9 и делителя мощности 12 могут быть использованы одноименные устройства приемопередающего блока когерентного метеорологического радиолокатора «Контур-СВ», выпускаемого ООО «Контур-НИИРС», Санкт Петербург. Цифровой сигнальный процессор 8 представляет собой в данном примере цифровой сигнальный процессор TIGER SHARC ADSP-TS201S (пр-во Analog Device). Устройство также содержит вычислитель 10 взаимной корреляционной функции и определитель 11 положения максимума взаимной корреляционной функции, которые могут быть реализованы с использованием микросхем программируемой логики типа EP20K100QI240-2V (пр-во Altera) с второй антенной 7, а второе плечо соединено с входом второго приемника 4, выход которого соединен с первым входом вычислителя 10 взаимной корреляционной функции, выход которого соединен с входом определителя 11 положения максимума взаимной корреляционной функции, выход которого соединен с вторым входом цифрового сигнального процессора 8, выход передатчика 2 соединен с входом делителя мощности 12, а выход первого приемника 3 соединен с вторым входом вычислителя 10 взаимной корреляционной функции.
Устройство работает следующим образом.
Высокочастотные импульсные зондирующие сигналы, генерируемые передатчиком 1, поступают на делитель мощности 12 и поступают на плечи 3 циркуляторов 5 и 13. Пройдя в первое плечо циркуляторов 5 и 13, эти сигналы подаются в фидеры первой 6 и второй 7 антенн, которые имеют одинаковые диаграммы направленности, а их фазовые центры разнесены по вертикали на расстояние d. Обе антенны имеют один и тот же привод. Их угловое положение фиксируется датчиком углового положения 9, который механически связан с приводом. Антенны 6 и 7 излучают радиолокационные импульсы в обследуемую зону атмосферы (разрешаемый объем). Отраженные от метеочастиц этой зоны сигналы принимаются первой 6 и второй 7 антеннами и поступают в первое плечо циркуляторов 5 и 13 соответственно. Пройдя во второе плечо, эти сигналы подаются на входы первого 3 и второго 4 приемников. Принятые радиосигналы в приемниках подвергаются фильтрации, преобразованию частоты, усилению, квадратурному преобразованию и оцифровке (преобразованию в цифровой код). В результате на выходе каждого приемника образуются два квадратурных цифровых сигнала, которые объединяются в комплексные сигналы
1
1
2
2
1
2
где u(t), ν(t) -квадратурные цифровые сигналы на выходе первого 3 приемника, u(t), ν(t) - квадратурные цифровые сигналы на выходе второго 4 приемника. С выходов приемников комплексные сигналы s(t) и s(t) поступают на входы 1 и 2 вычислителя 10 взаимной корреляционной функции (ВКФ), где производится расчет ВКФ в соответствии с формулой
max
max
Результаты расчета поступают на вход определителя 11 положения максимума взаимной корреляционной функции, выходной сигнал которого соответствует значению аргумента ВКФ τ, при котором ВКФ принимает наибольшее значение. Значение τ поступает на второй вход сигнального процессора 8, на первый вход которого с датчика 9 углового положения антенн поступает сигнал, пропорциональный углу наклона ДН антенн θ. В сигнальном процессоре 8 в соответствии с формулой
V
происходит вычисление вертикальной составляющей скорости ветра W.
Это значение подается в обнаружитель 1 сдвига ветра, где выносится решение о наличии в обследуемой зоне атмосферы (разрешаемом объеме) сдвига ветра.