Использование допплеровского радиолокатора в метеорологии

УДК 537.871.7

В. М. Чайковский

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОППЛЕРОВСКОГО РАДИОЛОКАТОРА В МЕТЕОРОЛОГИИ

Аннотация. Описан подход построения допплеровского метеорологического радиолокатора, позволяющий повысить оперативность и своевременность формирования оповещения о приближающемся опасном метеообразовании (шквале, смерче или граде), а также спрогнозировать присущее ему количество осадков.

Ключевые слова: метеообразование, эффект Допплера, разнесенные частоты, допплеровское приращение частоты, разность фаз, специализированный фазовый детектор, балансный смеситель.

В настоящее время согласно учебной программе изучения курса «Радиотехнические системы» студентами старших курсов специальности «Радиотехника» не предусмотрено изучение различных хорошо развитых радиолокационных методов применительно к использованию их в метеорологии.

В силу того, что последние имеют большое прикладное значение при проведении метеорологических исследований атмосферы Земли, на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» ПГУ в последние годы уделяется повышенный интерес вопросу изучения использования радиолокационных методов в метеорологии.

По данной тематике студентами кафедры проводится исследовательская работа, результатом которой является регулярное выполнение дипломных проектов и публикация научных статей в изданиях различного уровня [1, 2].

Углубленное изучение данного вопроса оправдано возросшим интересом к метеорологическим исследованиям как таковым, а также с целью предсказания погоды, продиктованного резким изменением климата на нашей планете.

В настоящее время сложно переоценить практическое значение знаний о причинах возникновения различных атмосферных явлений, а также умение не только предсказывать появление этих явлений, но и своевременно давать предупреждение о приближении тех или иных опасных метеообразований (МО), представляющих угрозу привычному ходу жизнедеятельности человека [3].

Прогнозирование состояния условий погоды достаточно успешно может быть осуществлено с помощью допплеровского метеорологического радиолокатора МЕТЕОР-500C и метеорологического радиолокатора МРЛ-5, работающего в импульсном режиме и излучающего электромагнитную энергию сверхвысокочастотного диапазона (обычно с длиной волны X от одного сантиметра до десяти) в виде кратковременных зондирующих импульсов [3, 4].

Распространяющийся зондирующий сигнал, встречая на своем пути МО, отражается от него, и часть отраженной энергии распространяется по направлению к приемной антенне.

Мощность принимаемого (отраженного) сигнала много меньше по сравнению с мощностью излучаемого, поэтому первый нуждается в усилении сначала антенной, а затем приемником, и после детектирования он поступает на устройство визуального отображения информации.

МРЛ-5 фиксирует наличие МО и его характеристики по косвенным признакам, таким как измерение высоты верхней границы, а также отражаемости зондирующего сигнала от облачности, после чего с помощью радиолокационных критериев принимается

143

Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015

решение об его опасности, причем радиус обнаружения опасных МО данным МРЛ не превышает 200 км.

Внедрение взамен устаревшего МРЛ более современных автоматизированных допплеровских радиолокаторов позволяет получать информацию об облаках и ожидаемых осадках в режиме реального времени [1, 5].

Допплеровские МРЛ позволяют существенно повысить достоверность своевременного обнаружения приближающегося шквала, смерча, града и точно спрогнозировать присущее им количество осадков.

Суть работы предлагаемого устройства основывается на использовании эффекта Допплера, проявляющегося на двух разнесенных по значению частотах зондирующего сигнала, представляющего собой высокочастотное гармоническое колебание с фиксированным значением частоты. Данный прием позволяет за счет проведения последующей операции усреднения результатов измерения радиальной скорости между измерениями на каждом значении частоты повторения зондирующего сигнала, что, несомненно, позволяет более точно оценить значение радиальной скорости перемещения обнаруженного МО, а также оценить значение расстояния до него. Причем последнее достигается путем оценки разности фаз, образующейся между допплеровскими приращениями, возникающими соответственно на каждой из используемых частот повторения зондирующего сигнала, что позволяет резко увеличить скорость получения более достоверной метеорологической информации.

Структурная схема предлагаемого метеорологического радиолокатора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема метеорологического радиолокатора

По команде микропроцессора (МП) передатчики РПУ1 и РПУ2, в состав которых входят опорные генератора гармонических колебаний с фиксированными значениями

144

Актуальные вопросы естествознания

частот, соответственно /и1 = 5500 МГц и /и2 = 6000 Мгц, вырабатывают зондирующие сигналы, поступающие на соответствующие излучатели передающих антенн Ai и А2, которые формируют лучи, направленные в сторону МО.

Частоты зондирующих сигналов, отраженных от МО, соответственно будут равны значениям частот излучения с соответствующими допплеровкими приращениями:

fC1 = Уи1 ^ /д1 и fC2 = fи2 Уд2 .

Далее эти сигналы, принимаемые соответствующими приемными антеннами А3 и А4, поступают на первые входы балансных смесителей Бсм1 , Бсм2, на вторые входы которых поступают в качестве опорных сигналы от генераторов высокочастотных колебаний, входящих в состав РПУ1 и РПУ2.

На выходах Бсм1 и Бсм2 выделяются низкочастотные колебания допплеровских приращений частот соответственно f иf , амплитуды которых после усиления их со-

ответствующими УНЧ1 и УНЧ2 с доведением их амплитуд до нормированного уровня в 1 В сразу преобразуются АЦП в цифровые сигналы в виде кодовых комбинаций N1, и N2 и подаются на МП, таким образом осуществляется преобразование значений величин /д1 и /д2 в соответствующие коды.

В самом МП [6] происходит определение значения радиальной скорости МО на каждом из значений частот зондирующего сигнала, затем осуществляется усреднение этих значений и полученное при этом значение скорости МО Vr окончательно выводится на индикатор.

Передающие антенны А1 и А2 располагаются в непосредственной близости от приемных А3 и А4 и соответствующих приемников РПр1 и РПр2, что облегчает работу соответствующих балансных смесителей Бсм1 и Бсм2.

При этом значение радиальной скорости Vr МО будет определяться путем оценки

значения допплеровского смещения частотыf [4], Vr =

/д

причем проводиться эта

2

оценка будет дважды, соответственно на /и1 и /и2 , в результате чего будут получены зна-

чения Vr1 и Vr2.

Данные значения получаются в результате выполняемой МП операции масштабирования значений частот f иf на половину длины волны зондирующего сигнала,

пропорционального значению 0,027 м для частоты зондирующего сигнала 5500 МГц и 0,025 м для 6000 МГц.

Далее окончательное значение радиальной скорости МО Vr находится посредством усреднения полученных значений VR1 и Vr2:

v = VR1 + VR 2 VR-------1-----

Измерение дальности до МО основывается на том положении, что фаза отраженного сигнала зависит от пройденного им расстояния [4].

Так как формируемые РПУ1 и РПУ2 зондирующие сигналы, изменяющиеся по синусоидальному закону и имеющие нулевую начальную фазу, будут в общем виде выглядеть как

u = U sin rot,

напряжения каждого из отраженных сигналов, имеющих свое фиксированное значение частоты зондирующего сигнала, на выходах приемников будут описываться также в общем виде выражением вида

145

Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015

u = Usinro(t -13) , t3

2D

,

c

где t3 — время распространения зондирующего сигнала до МО и обратно; D — расстояние до МО.

После проведения соответствующих преобразований очевидно, что фазы каждого отраженного сигнала соответственно будут равны

4kD r akD г

Ф1 = JLTT frn и ф 2 = —- f„

c - Vr

c - К

После нахождения разности Дф между ф 1 и ф 2 и с учетом того, что c » VR, получаем

Дф = 4K^fD,

c

из чего следует, что D = --Дф, где Дf — разность между значениями частот зонди-

4nAf

рующих сигналов fa1 и fH2; Дф — разность фаз между допплеровскими приращениями частот fi и f^, полученных соответственно на сигналах fm и fu2.

Очевидно, что здесь используется метод допплеровского измерения расстояния до движущегося объекта на двух разнесенных по значению фиксированных частотах зондирующего высокочастотного гармонического сигнала [4].

Оба значения соответствующих допплеровских приращений частоты, каждое из которых имеет свое значение фазы, поступают на входы фазового детектора (ФД), с выхода которого напряжение, пропорциональное Дф, поступает на соответствующий вход МП, в котором окончательно определяется значение дальности до МО.

Причем последнее определяется по методике, аналогичной определению радиальной скорости МО, т.е. процедура определения дальности сводится к операции умножения получаемого значения разности фаз Дф между сигналами f и f 2 на соответствующий

коэффициент KD , значение которого определяется согласно выражению (1) и будет равно 0,048 м/рад. Затем полученное значение дальности до МО также выводится на индикатор.

МП будет рассчитывать и выводить на индикатор окончательные значения радиальной скорости перемещения МО и дальности до него. В результате сопоставления МП этих результатов с данными, заложенными в его память как классификационные признаки скорости ветра, т.е. радиальной скорости приближения обнаруженного МО, МП будет выдавать на индикаторное табло информацию о характере приближающегося МО: шторм, ураган и т.д.

В заключении следует отметить, что использование данного подхода при построении допплеровских МРЛ позволяет повысить оперативность и своевременность формирования оповещения о приближающемся опасном МО в виде шквала, смерча или града, а также спрогнозировать присущее им количество осадков.

Список литературы

1. Мещеряков, В. С. Метеорологический радиолокатор / В. С. Мещеряков, В. М. Чайковский // Надежность и качество : тр. Междунар. симпозиума : в 2 т. — Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. — Т. 2.

2. Чайковский, В. М. Радиолокация в метеорологии / В. М. Чайковский // Университетское образование (МКУО—2014) : сб. ст. XVIII Междунар. науч.-метод. конф. (г. Пенза, 10—11 апреля 2014 г.). — Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. — С. 320—322.

146

Актуальные вопросы естествознания

3. Радиолокационные измерения осадков / под ред. А. М. Боровикова. - Л. : Гидрометеоиздат,

1967.

4. Радиотехнические системы : учеб. пособие / под ред. проф. Ю. М. Казаринова. - М. : Высшая школа, 1990. - 496 с.

5. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1.

6. Шонфелдер, Г. Измерительные устройства на базе микропроцессора Atmega / Г. Шонфелдер, К. Шнайдер. - СПб. : БХВ-Петербург, 2012. - 288 с.

Чайковский Виктор Михайлович

кандидат технических наук, доцент, кафедра радиотехники и радиоэлектронных систем,

Пензенский государственный университет E-mail: rtech@pnzgu.ru

УДК 537.871.7

Чайковский, В. М.

Использование допплеровского радиолокатора в метеорологии / В. М. Чайковский // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 3 (11). - C. 143-147.

Chaykovskiy Viktor Mikhaylovich

candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of radio engineering and electronic systems,

Penza State University