МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЛОКАТОР

Метеорологический радиолокатор
Заявляемое техническое решение (полезная модель) относится к области радиолокации, в частности, к системам метеорологического зондирования атмосферы с помощью запускаемого в свободный полет газонаполненного шара с радиозондом, измеряющим метеорологические параметры атмосферы (например, давление, влажность, температуру), и радиолокационной станции слежения за радиозондом, измеряющей координаты радиозонда (дальность, азимут и угол места, или часть из указанных, например, только угловые координаты - для радиолокатора) и принимающей по телеметрическому каналу метеорологические параметры, передаваемые радиозондом.
Известны метеорологические радиолокационные станции и радиолокаторы 1-3, которые содержат антенну, размещенную на опорно-поворотном устройстве, двухканальный приемник (телеметрический и пеленгационный каналы) сигналов радиозонда, включающий в себя устройства выработки сигналов рассогласования направления оси антенны и направления на радиозонд, и двухкоординатный (по азимуту и углу места) привод антенны, управляемый сигналами рассогласования таким образом, чтобы свести к нулю угловые рассогласования между осью антенны и направлением на радиозонд, что позволяет осуществлять слежение за изменяющимися в полете координатами радиозонда путем считывания показаний датчиков угол-код, расположенных на осях опорно-поворотного устройства.
Наиболее близким к заявляемому по структуре и принципу действия является радиолокатор фирмы Vaisala 3 , который содержит общие с заявляемым техническим решением элементы: опорно-поворотное устройство, состоящее из неподвижного основания и подвижной антенной рамы, на которой размещены М подрешеток, состоящие каждая из N излучателей и N-канального сумматора, выход которого является выходом подрешетки, устройство выделения сигналов рассогласования, двухканальный приемник, содержащий пеленгационный и телеметрический каналы, управляющий процессор, датчик угол-код и электромеханический привод в азимутальной плоскости, размещенный на неподвижном основании, причем выходы подрешеток подключены к входам устройства выделения сигналов
2000 t 0.01 О 1
GOIS 13/95,
GOIS 3/22, HOIQ 3/38
рассогласования, выходы которого подключены к входам пеленгационного и телеметрического каналов приемника, выход телеметрического канала является выходом радиолокатора, выход пеленгационного канала подключен к первому входу управляющего процессора, выход которого подключен к входу управления азимутальным электромеханическим приводом, а выход датчика угол-код подключен ко второму входу управляющего процессора .
Кроме того, прототип содержит не используемые в заявляемом техническом решении и описываемые здесь с целью раскрытия недостатков прототипа следующие узлы: подвижную промежуточную (угломестную) платформу, которая включает в себя электромеханический привод в угломестной плоскости, механически связанный с антенной рамой и датчиком угол-код угломестной плоскости, причем подвижная промежуточная платформа механически связана с электромеханическим приводом в азимутальной плоскости и азимутальным датчиком угол-код, сигнал управления угломестным приводом подается из управляющего процессора.
Недостатком прототипа и других известных метеорологических радиолокационных станций является наличие только электромеханических приводов антенны, которым свойственна значительная инерционность. Типовая скорость вращения антенны составляет 90 градусов в секунду по обеим угловым координатам. Инерционность электромеханических приводов приводит к частым потерям сигнала радиозонда при его запуске вблизи радиолокационной станции, особенно при сильном ветре, когда зонд движется с большими угловыми скоростями относительно радиолокационной станции, значительным затратам времени на поиск потерянного радиозонда при механическом сканировании сектора пространства, в котором предположительно находится потерянный радиозонд, и как следствие, потере части информации о метеорологических параметрах, особенно ценной в приземном слое атмосферы, т.е. получаемой сразу после выпуска щара с радиозондом.
Кроме того, для измерения скорости ветра в точке нахождения радиозонда по разности угловых координат между двумя близкими во времени отсчетами координат и известному расстоянию до радиозонда требуется весьма высокая разрешающая способность приводов и датчиков угол-код - менее 0,05 градуса (14 двоичных разрядов датчика угол-код в прототипе), хотя необходимая в метеорологии точность географической привязки траектории полета радиозонда и определения его координат значительно меньще - около 1 градуса. Поэтому прототип содержит
прецизионные и сложные в изготовлении электромеханические приводы и датчики угол-код в двух плоскостях, которые дороги и не очень надежны в эксплуатации, что также является недостатком прототипа.
Известны, вместе с тем, способ и устройства построения антенных систем в виде активных (управляемых) фазированных решеток излучателей 4, обеспечивающих практически безинерционное и точное изменение положения оси антенны (электронное сканирование) путем электронного переключения соответствующими устройствами (фазовращателями) фаз сигналов, поступающих от каждого из излучателей антенной решетки и последующего суммирования фазированных сигналов излучателей.
Заявляемое техническое решение направлено на решение следующих задач:
1)увеличение скорости перемещения луча в заранее заданном секторе обзора;
2)уменьщение потерь метеорологической информации за счет повышения скорости слежения за радиозондом и уменьшения времени поиска сигнала потерянного радиозонда;
3)расширение области применения радиолокатора;
4)упрощение конструкции и снижение требований по точности изготовления механических узлов;
5)повышение эксплуатационной надежности;
6)снижение стоимости радиолокатора при производстве.
Сущность заявляемого технического решения заключается в использовании известного способа и устройств для обеспечения электронного сканирования луча антенной фазированной решетки в дополнение к электромеханическому приводу по азимуту и только электронного сканирования по углу места и реализована тем, что метеорологический радиолокатор дополнительно содержит  дискретных фазовращателей, размещенных в подрешетках и подключенных между выходами излучателей и входами N-канальных сумматоров, и блок управления фазовращателями, причем вход блока управления фазовращателями подключен к второму выходу управляющего процессора, выход блока управления подключен к входам управления дискретных фазовращателей, кроме того азимутальный электромеханический привод механически связан с антенной рамой таким образом, что обеспечивается ее вращение в азимутальной плоскости, а датчик угол-код размещен на антенной раме, и его вал механически связан с основанием.
JLOOO O&fff 3
На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого технического решения. Цифрами обозначены следующие блоки: основание - 1, антенная рама 2, подрешетки - 3, излучатели - 4, дискретные фазовращатели - 5, Nканальные сумматоры - б, устройство выделения сигналов рассогласования - 7, приемник - 8, телеметрический канал - 9, пеленгационный канал - 10, управляющий процессор - 11, азимутальный привод - 12, датчик угол-код - 13, блок управления фазовращателями - 14. Многоразрядные (цифровые) связи обозначены на чертеже утолщенными линиями, а механические связи - пунктирными линиями. Элементы опорноповоротного устройства (основание и антенная рама) обозначены щтрихпунктирными линиями.
Метеорологический радиолокатор (фиг.1) содержит М антенных подрешеток 3, которые включают в себя каждая N излучателей 4, соединенных последовательно с дискретными фазовращателями 5, выходы которых подключены к входам сумматора 6, выходы сумматоров б являются выходами подрещеток и подключены к соответствующим входам устройства выделения сигналов рассогласования 7, выходы которого подключены соответственно к входам телеметрического 9 и пеленгационного 10 каналов приемника 8. Выход телеметрического канала 9 является выходом радиолокатора. Выход пеленгационного канала 10 подключен к первому входу управляющего процессора 11, первый выход которого подключен к входу управления азимутальным электромеханическим приводом 12, размещенным на основании 1 и механически связанным с антенной рамой 2 таким образом, что обеспечивается враш,ение антенной рамы 2 в азимутальной плоскости. Выход датчика угол-код 13, размещенного на раме 2, и вал которого механически связан с основанием 1, подключен ко второму входу управляющего процессора 11, второй выход которого подключен к входу блока 14 управления фазовращателями, выход которого подключен к соответствующим входам управления дискретных фазовращателей б.
Метеорологический радиолокатор работает следующим образом.
Излучаемый находящимся в свободном полете радиозондом сигнал, в структуре которого содержится телеметрическая информация о параметрах атмосферы в точке нахождения радиозонда, принимается N излучателями 4 в каждой из М подрешеток 3 и, пройдя дискретные фазовращатели 5, суммируется в сумматоре 6 с фазами, определяемыми установленным значением фазового сдвига в каждом из фазовращателей. Известно 4, с.327-334, с.402-405, что при заданном секторе электронного сканирования по азимуту и углу места можно однозначно определить шаг расположения излучателей в плоской антенной решетке, а по заданной точности (дискрету) положения луча в пространстве определить число дискретов фазовращателей. Заданный набор фаз (фазовое распределение) определяет отклонение луча от нормали к плоскости антенной решетки как по азимуту, так и по углу места. Изменение во времени фазового распределения путем подачи соответствующих управляющих сигналов на дискретные фазовращатели 5 приводит к изменению положения луча электронному сканированию.
Принятые подрещетками 3 сигналы радиозонда поступают на устройство 7 выделения сигналов рассогласования, на выходе которого выделяются суммарный сигнал и сигналы углового рассогласования Леи Др, пропорциональные разности между фактическим направлением на радиозонд и направлением луча антенной решетки, определяемым по углу места только установленным фазовым распределением углом электронного
сканирования Se, а по азимуту - суммой угла электронного сканирования и угла механического поворота антенной решетки азимутальным приводом (Ре+рм)  Угловые рассогласования As и Ар становятся равны нулю при точном направлении луча антенной решетки на радиозонд.
Суммарный сигнал с выхода устройства 7 поступает на вход телеметрического канала 9 приемника 8, ас выхода телеметрического канала 9, преобразованный соответствующим образом (демодулированный и преобразованный в определенный формат), поступает на выход радиолокатора, например, на устройство регистрации параметров атмосферы. Конкретная схема построения телеметрического канала зависит от вида и параметров излучаемого радиозондом телеметрического сигнала и заданного выходного формата данных, и в настоящем описании не рассматривается, так как не является существенной для заявляемого технического решения. Например, телеметрический канал приемника может быть реализован так же, как в прототипе.
Угловые рассогласования As и Ар с выхода устройства 7 поступают
на вход пеленгационного канала 10, и с его выхода - на первый вход управляющего процессора 11. Конкретная схема построения пеленгационного канала не имеет существенного значения и может быть такой же, как в прототипе.
5
с датчика 13 угол-код и поступает на второй вход процессора 11. Кроме того, с второго выхода процессора 11 на блок 14 управления фазовращателями 5 поступают значения углов электронного сканирования в азимутальной Ре и угломестной е плоскостях, по значениям которых блок
14 вычисляет фазовое распределение фi,j, где ...М, ...N, и управляет установкой фазовой задержки в каждом из фазовращателей 5. Конкретные значения фаз, которые зависят от числа и расположения элементов рещетки, а также заданного дискрета положения луча в пространстве, могут быть определены по формулам, приведенным в 4, с.402-405. В частности, может быть получена дискретность перемещения луча и, соответственно, точность определения координат радиозонда в пределах О,05...0,1 градуса, что достаточно для измерения скорости ветра в точке нахождения радиозонда.
Слежение за координатами радиозонда по углу места осуществляется таким образом, что при некотором установленном значении положения луча по углу места Se и фактической координате радиозонда 8 вырабатывается сигнал рассогласования , в соответствии с которым в управляющем процессоре 11 вычисляется новое значение угла электронного сканирования по углу места 8е , по которому в блоке 14 вычисляется новое фазовое распределение, управляющее фазовращателями 5. Таким образом угловое рассогласование по углу места сводится к нулю (с точностью до дискрета перемещения луча), и за фактические координаты зонда принимается значение угла электронного сканирования по углу
места 8е.
Слежение за азимутом радиозонда производится в два этапа с помощью как электромеханического привода, так и электронного сканирования. Если угловое рассогласование по азимуту ДР больше, чем некоторое заранее заданное значение Дрмакс (заданная граница сектора электронного сканирования), то управляющий процессор 11 устанавливает угол электронного сканирования по углу места  и вырабатывает сигнал включения электромеханического привода 12, который подворачивает антенную раму 2 в азимутальной плоскости до тех пор, пока угловое рассогласование не станет меньше, чем Дрмакс- Угол Рм механического поворота рамы 2 относительно основания 1 считывается датчиком 13 угол-код и поступает в управляющий процессор 11.
, б
На втором этапе осуществляется электронное сканирование луча аналогично описанному процессу по углу места таким образом, что сводится к нулю угловое рассогласование по азимуту ДР и за координату радиозонда по азимуту принимается сумма углов механического подворота РМ и электронного слежения Ре- Максимальная суммарная ошибка определения азимута равна, таким образом, сумме ошибок механического привода с датчиком угол-код и электронного сканирования (дискрету положения луча). Это не сказывается на точности измерения скорости ветра, если это измерение производится по отсчетам угла электронного сканирования при неподвижной антенне, так как ошибки механического привода взаимно компенсируются. В то же время, поскольку необходимая точность географической привязки координат радиозонда по азимуту составляет, как указано выше, величину порядка одного градуса, это позволяет существенно снизить точность изготовления привода и разрядность датчика угол-код (до величины ошибок порядка градуса).
При поиске потерянного радиозонда предполагаемое место нахождения радиозонда определяется по последним измеренным его координатам и расчетной скорости ветра путем экстраполяции, и в некотором секторе углов 8 и Р, включаюшем в себя точку с координатами предполагаемого положения радиозонда, производится электронное сканирование луча по азимуту и углу места до тех пор, пока зонд не будет захвачен системой слежения вновь. Если в заданном секторе поиска радиозонд не обнаружен, сектор поиска расширяется, причем при необходимости (в случае если границы сектора поиска превышают Дрмакс) включается азимутальный электромеханический привод, подворачивающий антенну.
Таким образом, в процессе поиска и слежения за радиозондом, электромеханический привод не работает все время, как в прототипе, а включается лишь на короткие промежутки времени, необходимые для подворота антенны.
Скорость электронного сканирования луча определяется, в основном, временем вычислений нового фазового распределения и постоянной времени петли слежения, и существенно превышает скорость электромеханического привода. В опытном образце радиолокатора достигнута скорость перемещения луча по угловым координатам в 25 градусов за 50 мс, то есть в 50 раз больше, чем в прототипе.
азимуту и углу места, что значительно повышает быстродействие радиолокатора при слежении за радиозондом и при поиске в предполагаемом секторе нахождения потерянного радиозонда и существенно снижает потери телеметрической информации от радиозонда о метеорологических параметрах атмосферы.
Увеличение скорости слежения по углу места позволяет расширить область применения заявляемого радиолокатора, поскольку становится возможным слежение за движущимися с высокой вертикальной скоростью радиозондами, размещаемыми на метеорологических ракетах и на баллистически выстреливаемых платформах. Рещение этих задач прототипом невозможно из-за инерционности электромеханического привода по углу места.
Кроме того, по сравнению с прототипом, полностью исключен второй электромеханический привод и датчик угол-код по углу места, а требования к точности азимутального привода снижены более, чем на порядок величины, что значительно удешевляет изделие в производстве. Это подтверждается сопоставлением известных цен на выпускаемые изделия (600 тыс. долларов США для АВК-1, 150 тыс. долларов для радиолокатора фирмы Vaisala) и расчетной отпускной ценой (80 тыс. долларов) заявляемого радиолокатора.
Исключение по сравнению с прототипом ряда сложных электромеханических узлов, имеющих ограниченный ресурс, и снижение времени фактической работы единственного электромеханического (азимутального) привода повышает эксплуатационную надежность заявляемого радиолокатора по сравнению с прототипом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1.Аэрологический информационно-вычислительный комплекс АВК1. Техническое описание БЕ1.400.061 ТО.
2.Радиолокационная метеорологическая станция Метеорит-2. Техническое описание БЕ1.400.010 ТО.
3.RT Sounding System. VAISALA Radiotheodolite and MARWIN.VAISALA - Helsinki, Finland - Apr. 1993. (c. 10-11 - прилагается) прототип.
4.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. Учеб. для радиотехн. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1988. - 432 с. (с. 396-405).
)ff 8