СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01W1/08 

Изобретение относится к способам определения метеорологических параметров посредством дистанционного зондирования с помощью электромагнитных волн сантиметрового диапазона, а точнее к способам дистанционного зондирования с аэрокосмических носителей, и наиболее эффективно может быть использовано для распознавания градовых очагов в атмосфере над районами сельскохозяйственного земледелия, где отсутствует наземная сеть метеорологических радиолокаторов, а также для изучения мезомасштабных особенностей пространственного упорядочения градовых осадков при различных синопти- ческих процессах над любыми районами суши на земном шаре.

Известен способ определения градовых очагов в атмосфере, заключающийся в излучении коротких импульсов сантиметрового диапазона, приеме энергии импульсов, рассеянных от атмосферных образований, по значению которой на разных высотах атмосферного образования определяют градовые очаги [1] .

Недостатком известного способа является относительно небольшой (не более 150-200 км) радиус определения градовых очагов с помощью наземных метеорологических радиолокаторов (МРЛ), который в основном определяется кривизной земной поверхности и высотой расположения МРЛ над Землей.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ определения градовых очагов в атмосфере, включающий излучение с помощью спутниковых радиолокаторов бокового обзора (РЛС БО) коротких электромагнитных импульсов сантиметрового диапазона (например, 3 см), прием энергии импульсов, рассеянной от исследуемых участков земной поверхности в обратном направлении, и ее запоминание, по результатам анализа которого распознают ситуации, когда наблюдается дополнительное рассеяние либо ослабление электромагнитных импульсов атмосферными образованиями [2] .

Несмотря на то, что известный способ позволяет за короткое время проводить определение положения атмосферных образований над большими территориями (шириной примерно 450 км и протяженностью свыше 2000 км), еще нет методов, которые позволяют отличить среди таких атмосферных образований безопасный для сельского хозяйства интенсивный дождь от опасных градовых очагов.

Цель изобретения - повышение информативности путем определения градовых очагов в атмосфере.

Цель достигается тем, что в способе обнаружения атмосферных образований посылают спутниковым радиолокатором бокового обзора короткие электромагнитные импульсы сантиметрового диапазона в исследуемую область, принимают и фиксируют рассеянные в обратном направлении электромагнитные импульсы, а при их обработке выявляют изменения, обусловленных импульсов атмосферным образованием, дополнительно при приеме рассеянных в обратном направлении электромагнитных импульсов измеряют время t₁, соответствующее началу и t₂ - прекращению изменения каждого из импульсов атмосферным образованием более чем на 1,5 дБ, измеряют средние значения высот h подстилающей поверхности и Но нулевой изотермической поверхности над уровнем моря в исследуемой области, а наличие градового очага констатируют при выполнении условия
t₂-t₁≥(H₀-h)/c˙cos θ , где с - скорость света;
θ- угол между направлением излучения и местной вертикалью.

Длительность импульса не должна превышать более 6 мкс, так как погрешность определения по информации РЛС БО разности моментов времени t₁ и t₂ станет настолько большой, что проведение количественных оценок по представленному критерию будет недостоверным.

При длинах волн менее 1 см рассеяние на каплях дождя оказывается сопоставимо с рассеянием на частицах града, поэтому отличить их будет невозможно. При длинах волн более 9-10 см рассеяние и ослабление в граде мало и оказывается неотличимо на фоне вариаций рассеяния подстилающей поверхности.

Данные о высотах подстилающей поверхности и нулевой изотермической поверхности в принципе не определяются по информации РЛС БО. Однако их можно получить, используя соответственно информацию топографической карты района исследования и результаты измерений температуры воздуха, нанесенные на высотные синоптические карты АТ850, АТ700 и АТ500, за срок, ближайший к времени спутниковой съемки.

Дополнительной областью применения предложенного способа может являться спутниковое распознавание шквалов приземного ветра со скоростью более 20-30 м/с в районах градовых очагов. Возможность решения такой задачи отмечена в работе [3] .

На фиг. 1 представлена схема рассеяния импульса электромагнитной энергии РЛС БО при наличии градовых очагов; на фиг. 2 - соответствующее изменение (вдоль ширины снимка РЛМ БО) регистрируемого (при запоминании) сигнала РЛС БО.

Рассмотрим пример осуществления способа на основе использования РЛС БО океанографических ИСЗ типа "Океан" или "Космос-1500", которые излучают импульсы на длине волны 3 см длительностью 3 мкс и с высоты 650 км обеспечивают ширину полосы обзора 450 км при размере элемента разрешения (в направлении полета) около 2 км.

В процессе полета спутника над поверхностью 2 Земли РЛС БО излучает короткие зондирующие импульсы 1 электромагнитной энергии, которая рассеивается участком 4 поверхности и при наличии градового очага 3 - частью его объема 5, через который проходит зондирующий импульс 1. Рассеянная в обратном направлении (т. е. к РЛС БО) энергия импульса принимается РЛС БО, преобразуется в электрические сигналы, которые далее передаются на наземный пункт приема и их запоминают на фотоносителе (т. е. регистрируют с помощью фототелеграфного аппарата) либо на магнитной ленте или дискете персональной ЭВМ (ПЭВС). В последнем случае для визуализации запомненных значений сигнала их выводят на дисплей ПЭВМ, например, типа IВМ РС/АТ.

По представленным (при визуализации) в виде радиолокационных изображений значениям электрических сигналов затем распознают ситуации, когда наблюдается начало и конец изменений электромагнитных импульсов атмосферными образованиями. Для облегчения распознавания используют аналогичную съемку с помощью РЛС БО тех же районов, но проведенную на 3-15 суток ранее, чем текущая съемка. По результатам сравнения предшествующего и текущего радиолокационных изображений положение изменчивых во времени атмосферных образований легко распознается.

Поскольку момент времени t₁, соответствующий началу изменения электромагнитных импульсов атмосферным образованием, на визуализированном изображении соответствует увеличению регистрируемого сигнала (см. фиг. 2), а момент t₂, соответствующий прекращению изменения более чем на 1,5 дБ, на изображении относится к участку (на развертке вдоль ширины снимка) вблизи окончания роста сигнала от его минимальных значений, то разность t₂--t₁ может быть определена по изображению по формуле
t₂-t₁= γ˙(a₁+a₂)˙sin θ/c, (2) где а₁+а₂ - протяженность области (вдоль ширины снимка) от начала увеличения сигнала до прекращения его роста от значительно уменьшенных значений;
γ- масштабный коэффициент для пересчета единиц измерения а_i в единицы измерения длины (например, м или км). Для снимка РЛС БО шириной 70 мм γ= 450/70 км/мм.

Отметим, что в относительных единицах измерений удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР), в которую можно пересчитать (2) зарегистрированные значения сигнала РСЛ БО, отсчет начинается от участка, где УЭПР сигнала увеличилась не менее чем на -17 (при θ= 50^о) или на -20 дб (при θ= 30^о) по сравнению со значениями сигнала вне влияния атмосферного образования.

Далее по топографической карте места измеряют среднее значение высоты подстилающей поверхности h (см. фиг. 1) в районе с атмосферным образованием.

Действующая сеть радиозондирования атмосферы производит регулярные измерения температуры воздуха на различных высотах, и эти результаты заносят на высотные карты АТ850, АТ700, АТ500 и др. Используя данные таких карт, методом интерполяции вычисляют высоту Н_о нулевой изотермической поверхности, которая по картам определяется относительно уровня моря. Например, если на ближайшей по времени карте АТ700 для района с атмосферным образованием Н₂= 3,0 км, Т₂= 1^оС, а на карте АТ500 Н₃= 5,0 км, Т₃= -4^оС, то
Н_о= Н₂+(Н₃-Н₂)/(Т₂-Т₃)˙Т₂= 3,4 км.

После определения всех входящих в формулу (1) параметров проверяется выполнение этого условия. При его выполнении наблюдаемое по результатам съемки РЛС БО атмосферное образование распознается как градовый очаг, из которого вероятно выпадение града.

(56) Руководство по применению радиолокаторов МРЛ-4, МРЛ-5 и МРЛ-6 в системе градозащиты/М. Т. Абшаев, И. И. Бурцев, СМ. И. Ваксенбург, Г. Ш. Шевела. - Л. : Гидрометеоиздат, 1980, с. 83-100.

Радиолокация поверхности Земли из космоса/Под ред. Л. М. Митника и С. В. Викторова. - Л. : Наука, 1990, с. 32-36.

Бухаров М. В. Изучение условий распознавания градовых осадков на снимках спутниковых РЛС БО. - Исследование Земли из космоса, 1991, N 4, с. 74-82.

Использование: в технике дистанционного определения с аэрокосмических носителей метеорологических параметров атмосферы, а именно распознавание градовых очагов и осадков из них. Сущность изобретения: по информации спутниковых радиолокаторов бокового обзора дополнительно измеряют моменты времени начала t₁ и прекращения t₂ искажения радиолокационного сигнала атмосферным образованием, измеряют высоту h подстилающей поверхности и нулевой высоту H_o изотермической поверхности над уровнем моря в исследуемой области, а о наличии градового очага в зоне атмосферного образования судят по выполнению условия t₂-t₁≥(H_o-h)/(c·cosθ), где c - скорость света, θ - угол между направлением излучения и местной вертикалью. 2 ил.

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, при котором посылают спутниковым радиолокатором бокового обзора короткие электромагнитные импульсы сантиметрового диапазона в исследуемую область, принимают и фиксируют рассеянные в обратном направлении электромагнитные импульсы, а при их обработке выявляют изменения обусловленных импульсов атмосферным образованием, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности путем определения градовых очагов в атмосфере, дополнительно при приеме рассеянных в обратном направлении электромагнитных импульсов измеряют время t₁, соответствующее началу, и время t₂, соответствующее прекращению изменения каждого из электромагнитных импульсов более чем на 1,5 дБ, измеряют средние значения высоты h подстилающей поверхности и высоты H₀ нулевой изотермической поверхности над уровнем моря в исследуемой области, а наличие градового очага констатируют при выполнении условия
t₂-t₁≥(H₀-h) / c˙cosθ ,
где c - скорость света;
θ - угол между направлением излучения и местной вертикалью.