СПОСОБ ОДНОВОЛНОВОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАРЯДА ОБЛАКОВ И ОСАДКОВ
METHOD FOR SINGLE-WAVE RADAR MEASUREMENT OF CHARGE OF CLOUDS AND PRECIPITATION

Изобретение относится к метеорологии, в частности к дистанционным методам измерения характеристик атмосферы, и может быть использовано в автоматизированных системах определения опасных для авиации явлений погоды, а также в других областях человеческой деятельности, где необходимо знание о величине заряда облаков и осадков.
Способом-аналогом является способ измерения заряда облаков по данным измерений их средней радиолокационной отражаемости [1. Гашина С.Б. Связь радиолокационных характеристик облаков с их турбулентным и электрическим состоянием. Тр. ГГО, 1965, вып. 173, с. 58-62].
Недостатком данного способа является недопустимо большая погрешность в определении величины среднего заряда облаков по средней радиолокационной отражаемости.
1
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу измерения заряда частиц облаков и осадков (прототипом к предлагаемому изобретению) является способ радиолокационного измерения заряда частиц облаков и осадков [2. Патент РФ №2491574. Приоритет от 06.02.12 г., 2013 г.], который заключается в энергетическом воздействии радиолокационным сигналом одновременно на двух длинах волн λ и λ на исследуемый объем атмосферы, содержащий заряженные частицы, и определении заряда аэрозольных частиц по информации о мощности ответных сигналов и о сдвиге фаз между ними.
В способе-прототипе информацию о зарядах частиц облаков и осадков получают двухволновым способом при условии существенного затухания одной из длин волн в облаках или осадках, что приводит к ограничению дальности действия и снижению точности в определении заряда единичного объема облаков или осадков за счет увеличения измерительного объема.
Техническим результатом изобретения является увеличение дальности действия и повышение точности в определении заряда единичного объема облаков и осадков за счет исключения влияния затухания на измеряемые характеристики электромагнитных волн и уменьшения измерительного объема.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в энергетическом воздействии на исследуемый объем, измерении характеристик ответного электромагнитного сигнала и определении по ним величины заряда единичного объема, разделяют электромагнитный сигнал на электрическую и магнитную составляющие, измеряют раздельно мощности электромагнитных волн, пропорциональные магнитной и электрической составляющим отраженного от исследуемого объема сигнала, а также величину сдвига фаз между ними и по результатам измерений определяют заряд единичного объема облаков и осадков по формуле
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>M</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>Э</mi></msub></mrow>
0
где
и
- средние мощности электромагнитных волн, пропорциональные магнитной и электрической составляющим отраженного от исследуемого объема сигнала соответственно; λ - длина электромагнитной волны;  - постоянный коэффициент; φ - сдвиг фаз между электрической и магнитной составляющей радиолокационного сигнала;  - объем атмосферы, облучаемый радиолокатором (импульсный объем); Θ - ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора; τ - длительность зондирующего импульса радиолокатора; с - скорость распространения электромагнитной волны; R - удаление импульсного объема атмосферы от радиолокатора; m - масса электрона; е - заряд электрона; Z - волновое сопротивление среды.
Сущность заявляемого способа состоит в следующем.
Известно [3. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. - М.: Гос. издат, 1951. - с. 38-43, 50-52; 4. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. - М: Сов. Радио, 1960. - с. 27, 241-243], что существует зависимость между параметрами (мощностями и сдвигом фаз) электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны, отраженной от облачного объема, и электрическими характеристиками облачных аэрозольных частиц, пропорциональными их заряду. В связи с этим излучают радиолокационный сигнал на длине волны λ в направлении исследуемого объема облака или осадков с заряженными аэрозольными частицами. Соотношение мощностей электрической и магнитной составляющих отраженного аэрозольными частицами зондирующего сигнала определяется их электрическими характеристиками, которые, в свою очередь, связаны с зарядами частиц.
Способ одноволнового радиолокационного измерения заряда частиц облаков и осадков поясняется фигурой, на которой изображены метеорологическая радиолокационная станция (МРЛС), состоящая из 1 - передающего устройства, 2 - антенны, 3 - двойного волноводного тройника (Т-моста) [6. Лавров В.М. Теория электромагнитного поля и основы распространения радиоволн. - М: изд. «Связь», 1960,. - с. 312, 326-333], в одном плече которого расположена 4 - тыревая антенна (электрический канал), в другом плече 5 - петлевая антенна (магнитный канал), предназначенного для разделения принятого электромагнитного сигнала на электрическую и магнитную составляющие, 6 - измерителя мощности электромагнитной волны, пропорциональной электрической составляющей отраженного сигнала, 7 - измерителя мощности электромагнитной волны, пропорциональной магнитной составляющей отраженного сигнала, 8, 9 - амплитудных ограничителей, 10 - фазового детектора, 11 - решающего устройства, соединенных как показано на фигуре, а также 12 - объект измерения.
0
1 - передающее устройство МРЛС создает зондирующие импульсы СВЧ - колебаний большой мощности, которые излучаются 2 - антенной. Отраженные от 12 - объекта зондирующие импульсы принимаются 2 - антенной и поступают в 3 - двойной волноводный тройник (Т-мост), в плечах которого расположены 4 - штыревая и 5 - петлевая антенны. Сигналы с антенн поступают на 6 и 7 - измерители мощности электромагнитного сигнала и на 8, 9 - амплитудные ограничители, с выхода которых напряжение с амплитудным порогом U поступает в 10 - фазовый детектор и, затем, в 11 - решающее устройство, где определяется значение заряда единичного объема облаков и осадков в соответствии с формулой 1.
Способ одноволнового радиолокационного измерения заряда частиц облаков и осадков поясняется следующим образом.
Для получения информации о зарядах аэрозольных частиц единичного объема облачности или осадков необходимо определить параметры, характеризующие электрические свойства исследуемых аэрозольных частиц. Поскольку среднее расстояние между данными частицами много меньше длин волн, излучаемых МРЛС, то исследуемые объемы облачности можно рассматривать как сплошную среду, электрические свойства которой определяются электрическими свойствами аэрозольных частиц, а именно коэффициентом поглощения (р) и коэффициентом преломления (n) [3. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. - М: Гос. издат, 1951. - С. 268].
Для определения заряда аэрозольных частиц, содержащихся в импульсном объеме, необходимо найти величину их проводимости γ, которая связана с коэффициентами преломления n и поглощения p следующим соотношениям [4. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. - М: Сов. Радио, 1960, - с. 27]
где ρ - заряд исследуемого объема, V - скорость перемещения заряда, Е - напряженность электрического поля электромагнитной волны.
С использованием формулы (3) получают [2. Патент РФ №2491574. Приоритет от 06.02.12 г., 2013 г.]
где w - частота электромагнитной волны, m - масса электрона, е - заряд электрона.
С учетом (2) уравнение (4) будет иметь вид
где  - постоянный коэффициент.
Для определения n и p используем мощности электрической и магнитной составляющих электромагнитного сигнала, отраженного от исследуемого облачного объема
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>Р</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mi>М</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>Р</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mi>Э</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>σ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
0
M
Э
где
и
- средние мощности электромагнитных волн, пропорциональные магнитной и электрической составляющим отраженного от исследуемого объема сигнала,
- средняя эффективная отражательная поверхность исследуемого объема облачности или осадков, Z - волновое сопротивление среды, К и К - коэффициенты пропускания магнитного и электрического тока.
Взяв отношение (7) и (6), получим
М
Э
Конструктивно величины К и К имеют одинаковые значения, поэтому при расчетах их можно опустить.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˙</mo></mover><mi>Э</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˙</mo></mover><mi>M</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Для нахождения n и р необходимо второе уравнение. В связи с этим подают напряжения
и
на усилители-ограничители, чтобы исключить влияние величины этих напряжений на напряжение на выходе фазового детектора
Подав эти напряжения на вход фазового детектора, на его выходе получают:
0
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>Ф</mi><mi>Д</mi></mrow></msub></mrow>
где U - амплитудное значение напряжения на выходе амплитудного ограничителя;
- комплексное значение напряжения на выходе фазового детектора.
Взяв реальную часть выражения (11), получают:
Положив  тогда
и
Таким образом, получают второе уравнение
Решая уравнения (8) и (14) относительно n и p, будем иметь
Таким образом, с учетом (15), (16) и (5), величина заряда импульсного объема облачности или осадков будет определяться формулой
где  - постоянный коэффициент.
Заряд единичного объема облачности или осадков будет определяться выражением
где V - импульсный объем облачности или осадков.
Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого способа и достижения технического результата.
Типичный радиолокатор излучает электромагнитную волну длиной 3,2 см, длительностью зондирующего импульса 2 мкс, шириной диаграммы направленности антенны 0,5°, которая воздействует на заряженные аэрозольные частицы кучево-дождевой облачности на удалении 50 км [5. Облака и облачная атмосфера. Справочник./Под ред. Мазина И.П., Хргиана А.Х. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989, - 646 с.]. При этом регистрируется ответная электромагнитная волна. Определяется отношение мощностей электромагнитных волн электрических и магнитных составляющих сигнала, например  и tgφ, равный, например, tgφ=0,11. Расчет заряда единичного объема облака производится по формуле
Полученные результаты свидетельствуют о наличии причинно-следственной связи между новой совокупностью существенных признаков в предлагаемом способе и достигаемым техническим результатом.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые радиотехнические узлы и устройства, применяемые в МРЛС, а также оборудование и материалы СВЧ-диапазона широко распространенной технологии.