УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРНЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области радиолокации и может использоваться для измерения поляризационных характеристик рассеяния атмосферных частиц различного размера.
Известна комплексная локационная система (КЛС) [1], состоящая из обзорной радиолокационной станции (РЛС) и лидара, при этом пространственный поиск и обнаружение цели осуществляет обзорная РЛС, имеющая достаточно широкую диаграмму направленности приемопередающей антенны, а точное измерение координат обнаруженной цели производится лидаром.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является комплексная локационная система [2], состоящая из метеорологической радиолокационной станции (МРЛ) и лидара, при этом приемо-передающие антенны МРЛ и лидара имеют одинаковую пространственную ориентацию. При работе КЛС проводятся измерения высоты слоев облачности - измерения высоты верхних слоев облачности выполняет МРЛ, а измерения высоты нижних слоев облачности выполняет лидар. Недостатком системы являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие проводить измерения поляризационных характеристик атмосферных частиц различной формы и различного размера.
Известен способ формирования зондирующих сигналов КЛС [3], заключающийся в том, что формируемые высокочастотные импульсы радиолокационного и оптического диапазона длин волн, согласованные по длительности, имеют одинаковый вид поляризации, излучаются синхронно и распространяются в одном направлении до исследуемого объекта. Данный способ формирования зондирующих сигналов КЛС
позволяет реализовать устройство измерения поляризационных характеристик атмосферных частиц. Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является одновременное измерение степени деполяризации эхо сигналов от атмосферных аэрозолей и дифференциальной отражаемости гидрометеоров. Данные характеристики являются высокоинформативными к микрофизическим параметрам атмосферных частиц. Дифференциальная отражаемость объекта согласно [4] определяется в радиолокационном диапазоне длин волн по формуле:
DR
где Z - дифференциальная отражаемость;
X
Z - мощность, рассеянная частицами атмосферы в обратном направлении, при горизонтальной поляризации облучающего поля и приемной антенны;
Y
Z - мощность, рассеянная частицами атмосферы в обратном направлении, при вертикальной поляризации облучающего поля и приемной антенны;
и характеризует возмущенное состояние атмосферы, вызванное выпадением мороси, дождя, снега, снежной крупы, града. Для перечисленных осадков радиус атмосферных частиц составляет r=0,2÷8 мм [5].
Степень деполяризации эхосигнала при линейной поляризации облучения атмосферных слоев зондирующими сигналами оптического диапазона длин волн согласно [6] определяется соотношением:
,
где Q - степень деполяризации эхосигнала;
I
Z - интенсивность кроссполяризованной компоненты эхосигнала;
II
Z - интенсивность параллельной (сополяризованной) компоненты эхосигнала;
и характеризует спокойное состояние атмосферы, для которого механизм обратного рассеяния электромагнитных волн обусловлен, находящимися в атмосфере, частицами тропосферного и антропогенного аэрозоля, тумана, облаков и ядер конденсации. Радиус перечисленных атмосферных частиц составляет r=0,005÷100 мкм [5].
На фиг.1 представлена структурная схема устройства измерения поляризационных характеристик атмосферных частиц, состоящая из следующих блоков: 1 - модулятор; 2 - лазер; 3 - магнитооптический фарадеевский вращатель; 4 - передающая антенна оптических сигналов; 5 - синхронизатор; 6 - СВЧ-передатчик; 7 - волноводный Y-циркулятор; 8 - приемная антенна оптических сигналов; 9 - СВЧ фарадеевский вращатель; 10 - приемо-передающая антенна радиолокационных сигналов; 11 - блок управления магнитооптическим фарадеевским вращателем; 12 - блок управления СВЧ фарадеевским вращателем; 13 - система наведения антеннами; 14 - призма Волластона; 15, 16 - фотоприемники; 17 - блок вычисления параметров; 18 - радиоприемник.
T
T
Устройство измерения поляризационных характеристик атмосферных частиц включает в себя радиолокационный и оптический канал и работает следующим образом. Синхронизатор 5 вырабатывает непрерывную последовательность синхроимпульсов, следующих с частотой f и поступающих с выхода синхронизатора 5 на вход модулятора сигналов 1. Модулятор 1, при этом, формирует импульсы прямоугольной формы, следующие с частотой f и поступающие с первого выхода модулятора 1 на вход лазера 2, со второго выхода модулятора 1 на вход СВЧ передатчика 6. Лазер 2 и СВЧ передатчик 6 синхронно вырабатывают мощные импульсы одинаковой длительности т с линейной горизонтальной поляризацией одновременно в оптическом и радиолокационном диапазоне длин волн.
T
Оптические импульсы с частотой следования f поступают на первый вход магнитооптического фарадеевского вращателя 3, принцип действия которого заключается в повороте плоскости поляризации проходящих оптических электромагнитных волн под
действием магнитного поля. На второй вход фарадеевского вращателя 3 поступают сигналы с выхода блока управления фарадеевского вращателя 11, который задает линейную горизонтальную поляризацию формируемых фарадеевским вращателем 3 оптических сигналов для каждого нечетного синхроимпульса, поступившего с выхода синхронизатора 5 на вход блока управления 11, и линейную вертикальную поляризацию формируемых оптических сигналов для каждого четного поступившего синхроимпульса.
T
Сформированные СВЧ передатчиком 6 мощные высокочастотные импульсы с частотой следования f и длительностью т поступают на первое плечо волноводного Y-циркулятора 7, выполняющего функцию антенного переключателя и разделяющего по направлению излучаемые и принимаемые радиосигналы. Со второго плеча волноводного Y-циркулятора 7 снимаются формируемые зондирующие высокочастотные сигналы горизонтальной поляризации и подаются на первое плечо СВЧ фарадеевского вращателя 9, конструктивно выполненного в форме волноводного перехода с прямоугольного отверстия на круглое, с размещенной на конструкции волновода обмоткой управления. На вход обмотки управления СВЧ фарадеевского вращателя 9 поступают сигналы с выхода блока управления фарадеевским вращателем 12. Принцип действия СВЧ фарадеевского вращателя 9 и блока управления 12 аналогичен ранее рассмотренному для магнитооптического фарадеевского вращателя 3 и блока управления 11. На втором плече СВЧ фарадеевского вращателя 9 формируются зондирующие высокочастотные импульсы линейной горизонтальной поляризации для каждого нечетного синхроимпульса, поступающего с выхода синхронизатора 5 на вход блока управления 12, и высокочастотные импульсы линейной вертикальной поляризации для каждого четного поступающего синхроимпульса. Система наведения антенн 13 обеспечивает одинаковую ориентацию приемо-передающих антенн 4, 8, 10 оптического и радиолокационного диапазонов длин волн в азимутальной и угломестной плоскостях, при этом выход системы
13 с помощью редукторной передачи связан с платформой, на которой конструктивно размещены антенны 4, 8, 10.
IIГ
IГ
Зондирующие сигналы оптического и радиолокационного диапазонов длин волн с помощью антенн 4 и 10 излучаются в одном направлении до исследуемых атмосферных частиц. Обратно рассеянные атмосферными частицами электромагнитные волны принимаются антеннами 8 и 10, и поступают в приемные тракты оптического и радиолокационного каналов. Оптический сигнал поступает на призму Волластона 14, которая выделяет из принятого сигнала линейную горизонтально поляризованную и вертикально поляризованную компоненту. С первого выхода призмы Волластона 14 на вход фотоприемника 15 поступает линейная вертикально поляризованная компонента принятых оптических сигналов, а на вход фотоприемника 16 поступает линейная горизонтальная компонента принятых сигналов. В фотоприемниках 15 и 16 выполняются функции детектирования, фильтрации и усиления поступающих оптических сигналов, при этом, выход фотоприемника 15 подключен к первому входу блока вычисления параметров 17, выход фотоприемника 16 подключен ко второму входу блока вычисления параметров 17. В течение интервала времени между временем прихода на вход блока управления 11 каждого нечетного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним четного синхроимпульса на второй вход блока 17 поступает временная реализация аналогового сигнала, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна интенсивности Z. принимаемого сополяризованного сигнала при облучении атмосферных частиц оптическими электромагнитными волнами линейной горизонтальной поляризации, а на первый вход блока 17 поступает временная реализация аналогового сигнала, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна интенсивности Z принимаемого кроссполяризованного сигнала. В течении интервала времени между временем прихода на вход блока управления 11 каждого четного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним нечетного синхроимпульса на второй вход блока 17 поступает
IB
IIB
временная реализация аналогового сигнала, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна интенсивности Z принимаемого кроссполяризованного сигнала при облучении атмосферных частиц оптическими электромагнитными волнами линейной вертикальной поляризации, а на первый вход блока 17 поступает временная реализация аналогового сигнала, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна интенсивности Z принимаемого сополяризованного сигнала.
С выхода приемо-передающей антенны 10 радиосигнал поступает на второе плечо СВЧ фарадеевского вращателя 9, который выполняет поляризационное преобразование:
1. в случае облучения атмосферных частиц электромагнитными волнами линейной горизонтальной поляризации угол поворота плоскости поляризации принимаемых сигналов в фарадеевском вращателе 9 равен 0° (соответствует интервалам времени между временем прихода на вход блока управления 12 каждого нечетного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним четного синхроимпульса), из преобразованных сигналов на первом плече СВЧ фарадеевского вращателя 9 выделяется линейная горизонтально поляризованная компонента;
2. в случае облучения атмосферных частиц электромагнитными волнами линейной вертикальной поляризации угол поворота плоскости поляризации приятых сигналов в фарадеевском вращателе 9 равен 90° (соответствует интервалам времени между временем прихода на вход блока управления 12 каждого четного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним нечетного импульса), из преобразованных сигналов на первом плече СВЧ фарадеевского вращателя 9 выделяется линейная горизонтально поляризованная компонента. Преобразованные фарадеевским вращателем 9 радиосигналы поступают на второе плечо Y-циркулятора и возбуждают его, выходной сигнал снимается с третьего плеча Y-циркулятора 7 и поступает на вход радиоприемника 18. Радиоприемник 18 выполняет функцию детектирования, частотной фильтрации и усиления поступающих
X
Y
радиосигналов, при этом выход радиоприемника 18 подключен к третьему входу блока вычисления параметров 17. В течении интервала времени между временем прихода на вход блока управления 12 каждого нечетного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним четного синхроимпульса на третий вход блока 17 поступает временная реализация аналогового сигнала, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна мощности Z принимаемого сигнала линейной горизонтальной поляризации при облучении атмосферных частиц электромагнитными волнами радиодиапазона линейной горизонтальной поляризации. В течении интервала времени между временем прихода на вход блока управления 12 каждого четного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним нечетного синхроимпульса на третий вход блока 17 поступает временная реализация аналогового сигнала, амплитуда которого в каждый момент времени пропорциональна мощности Z принимаемого сигнала линейной вертикальной поляризации при облучении атмосферных частиц электромагнитными волнами радио диапазона линейной вертикальной поляризации.
IГ
IIГ
Блок вычисления параметров 17 выполняет функции аналого-цифрового преобразования, временного хранения данных и цифровой обработки сигналов. На четвертый вход блока вычисления параметров 17 поступают синхроимпульсы с выхода синхронизатора 5, которые определяют последовательность выполняемых блоком 17 действий. По приходу в блок 17 каждого синхроимпульса происходит внешний запуск работы трехканального аналого-цифрового преобразователя, при этом на его выходах формируются в цифровом формате данные временных разверток поступающих в блок 17 аналоговых сигналов и сохраняются в оперативно-запоминающем устройстве. В течении интервала времени между временем прихода на вход блока 17 каждого четного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним нечетного синхроимпульса, блок вычисления параметров 17 выполняет цифровую обработку временных разверток по интенсивности Z кроссполяризованной компоненты и интенсивности Z
Г
сополяризованной компоненты принятых оптических сигналов и формирует в цифровом формате временную развертку степени деполяризации Q эхо-сигналов при облучении атмосферных частиц электромагнитными волнами линейной горизонтальной поляризации, используя соотношение (2):
IB
IIB
Г
В течении интервала времени между временем прихода на вход блока 17 каждого нечетного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним четного синхроимпульса, блок вычисления параметров 17 выполняет цифровую обработку временных разверток по интенсивности Z, кроссполяризованной компоненты и интенсивности Z сополяризованной компоненты принятых оптических сигналов и формирует в цифровом формате временную развертку степени деполяризации Q эхо-сигналов при облучении атмосферных частиц электромагнитными волнами линейной вертикальной поляризации, используя соотношение (2):
X
Y
DR
В течении интервала времени между временем прихода на вход блока 17 каждого нечетного синхроимпульса и временем прихода последующего за ним нечетного синхроимпульса, блок вычисления параметров 17 выполняет цифровую обработку временных реализации по мощности Z и мощности Z сополяризованной компоненты принятых радиосигналов и формирует в цифровом формате временную развертку дифференциальной отражаемости Z эхо-сигналов при последовательном облучении атмосферных частиц электромагнитными волнами линейной горизонтальной и линейной вертикальной поляризации, используя соотношение (1):
ЛИТЕРАТУРА
1. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем: Учебное пособие / Под ред. П.А. Бакулева. - М.: Высшая школа, 1983.
2. Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. - Новосибирск: изд. «Наука», 1980.
3. Патент №2222031. Способ формирования зондирующих сигналов комплексной локационной системы / Шошин Е.Л., Рыжаков В.В., Суханюк А.М.
4. Поляризационные измерения в задачах радиолокационной метеорологии. / Масалов Е.В., Татаринов В.Н. УДК 621.396.96:551.501.8.
5. М.В.Кабанов. Региональный мониторинг атмосферы. 4.1 Научно-методические основы: Монография / под общей ред В.Е.Зуева. Томск: изд-во «Спектр» ИОА СО РАН, 1997.
6. Лазерное зондирование тропосферы и подстилающей поверхности / Самохвалов И.В., Копытин Ю.Д., Ипполитов И.И. и др. - Новосибирск: Наука, 1987.