СПОСОБ РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ СМЕРЧА Российский патент 2008 года по МПК G01S13/95 

Способ радиотехнического обнаружения смерча относится к области радиометерологии, в частности к обнаружению смерча одновременно с помощью активных (некогерентные и когерентные радиолокаторы, обнаруживающие облака, радиолокаторы, обнаруживающие каналы молний) и пассивных (микроволновые радиометры, фиксирующие радиояркостную температуру облаков, приборы, регистрирующие электромагнитное излучение - ЭМИ) радиотехнических средств (АПРТС).

Уровень техники.

Известно, что первое обнаружение смерча (торнадо) с помощью некогерентного метеорадиолокатора (НМРЛ) имело место в штате Иллинойс в 1953 г. [1]. На экране НМРЛ было зафиксировано характерное радиоэхо облака, на правой стороне которого (относительно направления его движения) имелся узкий отрезок в виде пальца (крючка). Аналогичное явление отмечается в [2], но одновременно указывается, что в зоне радиоэха облака обнаружить смерч удается в редких случаях. Установлено, что большинство радиоэхо смерчей (торнадо) не имеют крючкообразного отростка [3]. Наиболее сложным является обнаружение смерчей с помощью НМРЛ в пограничном слое атмосферы. Это обусловлено тем, что НМРЛ должен проводить обзоры пространства при углах места антенны, близких к нулю градусов (высота видимой части смерча не превышает ˜1,5 км). При таких углах обзора на экране НМРЛ появляются эхо-сигналы «местных предметов», обнаруживаемых как главным, так и боковыми лепестками диаграммы направленности антенны, маскирующие радиоэха метеобразований и затрудняющие их распознавание.

Известно также, что смерчи характеризуются большими скоростями воздушных потоков в облаке, которые не возможно определять с помощью НМРЛ, но можно зафиксировать доплеровскими метеорадиолокаторами (ДМРЛ). Такую задачу решают доплеровские метеорадиолокаторы, используемые во многих странах мира, и предназначенные для измерения скоростей воздушных потоков в облаках и их перемещения.

В результате перемещений объектов отраженная частота радиолокационных сигналов будет отличаться от частоты сигнала, излучаемого РЛС, то есть будет иметь место доплеровский сдвиг частоты, который связан только с радиальным перемещением отражающих объектов.

Упорядочное движение атмосферных образований как системы отражателей определяет средний доплеровский сдвиг частоты, а движение отдельных отражателей друг относительно друга влияет на ширину спектра доплеровских частот.

Наибольшее распространение нашли когерентно-импульсные РЛС. В таких РЛС сравнение частот излученного и отраженного сигналов происходит в течение весьма короткого интервала времени - длительности зондирующего импульса.

Учитывая, что размеры смерча меньше радиолокационного объема и отражаемость области смерча сравнительно невелика, непосредственное обнаружение смерча затруднительно даже с помощью ДМРЛ [2].

Из работ [4, 5 и 6] следует, что при возникновении в облаке смерча в нем проявляются электрические разряды (внутриоблачные молнии, молнии типа облако - земля, разряды за счет трения частиц при больших скоростях вращения воздушного потока, создающие электромагнитное излучение на частотах f≥100 кГ), которые успешно обнаруживаются радиолокаторами метрового диапазона радиоволн [7, 8] и приемниками с антеннами направленного приема сигналов [9].

Физические основы изобретения

Известно, что смерч представляет собой сильный вихрь с вертикальной осью в виде столба или воронки, направленной от облака к поверхности земли (воды) [2]. Скорость движения воздуха в воронке смерча достигает 250 м/с. и более. Особенно интенсивные и большие по размерам смерчи в Северной Америке называются торнадо, в Западной Европе - тромбом, а в России иногда смерч называют мелкомасштабным вихрем.

В связи с тем, что смерчи возникают в основном в грозовых облаках (к грозовым облакам относятся те, в которых возникают электрические разряды) непосредственно такие облака в радиусе ˜200 км хорошо обнаруживают НМРЛ и ДМРЛ, но распознать принадлежность таких облаков к грозовым, а следовательно, к смерчевым, во многих случаях достоверно не удается, ибо как НМРЛ, так и ДМРЛ не способны обнаруживать электрические разряды - молнии в облаках.

Наряду с указанным выше следует отметить, что в смерче имеют место электрические процессы, а в верхней зоне облака специфические микрофизические, приводящие к увеличению водности на высотах (Н) более 8-9 км, которая не может быть обнаружена как НМРЛ, так ДМРЛ.

Дополнительное определение для распознавания смерчей электрического состояния облака (присутствие в нем электрических разрядов) и обнаружение в облаке на высоте Н≥8-9 км относительно высоких, чем на Н<8-9 км значений водности положено в основу предлагаемого изобретения.

1. Электрические процессы, происходящие в смерче

В [4] указывается, что смерчи образуются при интенсивном развитии кучево-дождевых (Cb) облаков, сопровождающихся, как правило, грозами, а также, что смерч - это часть грозового облака и без такого облака смерч не возникает. В [1] утверждается, что давно известно, что большинство гроз не сопровождается торнадо, а в свою очередь торнадо никогда не возникает при отсутствии грозовой ситуации.

В приполярных и приэкваториальных областях, где почти нет грозовых облаков, нет и смерчей [5]. В этой же работе отмечается, что анализ смерчей показывает, что ведущим является Cb грозовое облако, а смерчи - лишь вторичное образование, им создаваемое.

В работе [6] указывается, что в смерчах зафиксированы электрические явления необыкновенной интенсивности (количество молний в единицу времени), наблюдались шаровые молнии, ливни и град.

Стены внутренней полости смерча освещены непрерывным блеском молний, зигзагом перескакивающих с одной стены на другую. В середине полость смерча светится голубым светом, что свидетельствует о протекающих в полости электрических процессах [5].

Из [5] следует, что вихри, сопровождающие смерчи и их образующие, связаны со своеобразными проявлениями атмосферного электричества или электричество - причина вихрей. Вихри и вызываемое ими трение песчинок и пылинок друг о друга создают электрические разряды. Свидетельством этого является электромагнитное излучение электрических разрядов, возникающих во время возникновения пыльных бурь. Кроме того, во время смерча наблюдали колонну огня, молнии в воронке, шаровые молнии [5]. Из приведенного выше следует:

- для обнаружения электрических процессов в смерчах следует использовать РЛС, способную обнаруживать ионизированные каналы молний любого типа (облако-облако, облако-земля, внутриоблачные разряды) [7, 8]. К таким РЛС относятся те, которые излучают в метровом (λ=200 см ) диапазоне радиоволн (РЛС_МЕТР);

- шум, возникающий в смерче, вызываемый электрическими разрядами, можно зафиксировать при регистрации электромагнитного излучения с помощью приемников на частотах f≥100 кГц с антеннами направленного приема сигналов [9].

2. Процессы в смерчах, приводящие к образованию в верхней части облака зон повышенных значений водности

Во всех известных работах, посвященных исследованиям смерчей, отмечается, что воронка смерча всегда опускается из основания кучево-дождевого (грозового облака). Из [6] следует, что как только хобот смерча коснулся земли он начинает жадно всасывать воду в любом ее виде: влагу из воздуха в приземном слое, воду из почвы, из листьев и травы, из ручьев, рек, озер, морей. Поднимаясь ввысь, вода замерзает, что сопровождается выделением теплоты фазового перехода вода-лед. Выделение тепла идет на нагрев восходящего воздушного потока и не позволяет ему охлаждаться при подъеме даже на большую высоту.

В [6] указывается, что смерч - это особый вид вихря - двухслойный вихрь, внешняя стенка которого - плотный и холодный поток - падает вниз, а внутренняя -легкий и теплый поток - взмывает вверх. В [10] рассматриваются процессы, возникающие в грозовых облаках. При этом утверждается, что обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выделяет много тепла, и облако становится неустойчивым, в нем возникают стремительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносят массы влаги на высоты 12-15 км. Автор работы [6] указывает, что смерч проходя над районом, где в приземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температуре воздуха +25°-35°С засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км.

Обобщая изложенное выше необходимо отметить, что известен факт, что с помощью пассивно-активного метеорологического радиолокатора, то есть МРЛ в который вмонтирован микроволновый радиометр, можно определять водозапас (водность) облака [11, 12]. Из этого следует полагать, что определение вертикального профиля водности облака и при этом установление увеличения ее на высоте более 8-9 км может быть одним из критериев распознавания смерчевого облака, обнаруженного НМРЛ и ДМРЛ. Подтверждением этого являются следующие данные, приведенные на фиг.1, полученные с помощью АПРТС 13 июля 1992 г., где показано аномальное грозовое облако, имеющее все признаки смерча [8, 13]:

- на фиг.1а - вертикальный разрез облака высотой ˜13 км, где зона повышенных значений отражаемости - Z, то есть, где IgZ≥1,5 достигает ˜10,5 км и удалена от метеорадиолокатора на расстояние R=30÷35 км;

- на фиг.1б - повторяемость радиоэха каналов молний (N_R) в мин на различных расстояниях и повторяемость эхо-сигналов зоны постоянного отражения в грозовом облаке (N_ЗПО), обнаруженных РЛС_МЕТР. В обычных грозовых облаках эта РЛС_МЕТР зоны постоянного отражения не фиксирует. В данном случае появление этой зоны (N_ЗПО) связанно с непрерывными коронными разрядами, что также должно быть обнаружено на стенах воронки смерча;

- на фиг.1в - результаты построения вертикального профиля среднего значения водности на расстоянии 33 км, 34 км и 35 км. Видно, что относительное повышенное значение , характерное для смерча, зафиксировано только на расстоянии 34 км. на высоте ˜9 км. В обычных кучево-дождевых и грозовых облаках увеличение водности на указанных высотах не наблюдается.

Из анализа данных, приведенных на фиг.1, следует, что обнаруженное облако имеет все признаки смерча, в частности:

- высоту радиоэха облака более 13 км;

- высоту зоны повышенной отражаемости IgZ≥1,5 до ˜1,5 км;

- интенсивность молниевой активности более 20 разрядов в мин;

- зону постоянного отражения, связанную непрерывными разрядами, возникающими в воронке смерча;

- только на конкретном расстоянии 34 км и на высоте ˜9 км зону повышенных значений водности.

Сущность предлагаемого в качестве изобретения способа

Описание предлагаемого изобретения

Предлагаемый способ радиотехнического обнаружения смерча схематически изображен на фиг.2 и состоит из 1 - НМРЛ (ДМРЛ), сопряженных с 2-микроволновым радиометром (МВР), 3 - РЛС метрового диапазона радиоволн (РЛС_МЕТР), 4 - приемника, принимающего электромагнитное излучение электрических разрядов (П_Р.ЭМИ), на входе которого включен 5 - ключевой каскад, запирающий вход приемника на время излучения зондирующих импульсов НМРЛ (ДМРЛ) и РЛС_МЕТР, сигналом, поступающим от 6 - мультивибратора, запускаемого от 7 - блока единого запуска РЛС.

Предлагаемое изобретение решает задачу существенного повышения достоверности дистанционного обнаружения смерчей (торнадо) с помощью активно-пассивных радиотехнических средств.

Сущность предлагаемого в качестве изобретения способа состоит в том, что для более достоверного распознавания смерча в облаках, обнаруживаемых НМРЛ и ДМРЛ, предлагается дополнить их радиолокатором метрового диапазона (РЛС_МЕТР), способным обнаруживать молниевые разряды любого типа (облако-облако, облако-земля, внутриоблачные разряды), микроволновым радиометром (МВР), позволяющим при сопряжении его с активным каналом НМРЛ или ДМРЛ устанавливать изменение профиля водности с высотой в облаке, а также приемником, имеющим антенну направленного приема сигналов (П_Р.ЭМИ), то есть приемником, способным регистрировать ЭМИ, возникающее при электрических разрядах в смерче (фиг.2).

Для достижения электромагнитной совместимости НМРЛ (ДМРЛ) с РЛС_МЕТР и П_Р.ЭМИ предлагается ввести в АПРТС блок единого запуска зондирующих импульсов, используемых в наблюдениях радиолокаторов, с которого также будет поступать сигнал на П_Р.ЭМИ, который закроет ключевой каскад после 2-го детектора П_Р.ЭМИ на интервал времени излучения радиолокаторов. Ключевая схема будет закрывать на максимальную длительность излучения зондирующих импульса, обычно не превышающую 6 мксек, что не скажется на информативность принимаемого П_Р.ЭМИ электромагнитного излучения, возникающего в смерче.

Порядок действий при осуществлении предлагаемого в качестве изобретения способа состоит в следующем (фиг.2, где ДН - диаграмма направленности антенны):

1. По данным НМРЛ (ДМРЛ) фиксируются азимутальные сектора радиоэха облаков (А°_ОБ) с высокой верхней границей радиоэха больше 9-10 км и вертикальным профилем максимальной радиолокационной отражаемости до высоты 7-8 км (Ig Z≥1,5), что позволяет предполагать о возможном возникновении смерча в облаках.

2. При обнаружении такого облака включается радиометр и проводится определение изменений вертикального профиля водности в азимутальном секторе А⁰ _ОБ через 3°-5° и устанавливается азимут (А⁰в), где водность имеет повышенное значение относительно ниже расположенных высот. Такое определение водности основано на измерениях радиояркостной температуры - Т_Я радиометром, а активным каналом НМРЛ (ДМРЛ) в направлении А⁰ _В устанавливается радиальная протяженность зоны радиоэха облаков (L_R) в азимутальном секторе A⁰ _ОБ. По измеренным значениям Т_Я и L_R определяется средняя водность облака на заданной высоте в радиальном направлении - =Т_ЯС/L_R, где С - коэффициент [11, 12, 13].

3. В направление А⁰ _В устанавливается антенна РЛС метрового диапазона радиоволн. При обнаружении ионизированных каналов молний в облаке и зоны постоянного отражения в нем, следует предполагать, что в облаке образовался смерч.

4. Для подтверждения предположения, что в облаке возник смерч в направление азимутального сектора A⁰ _ОБ устанавливается антенна приемного тракта, регистрирующего ЭМИ электрических разрядов в облаке.

5. При одновременном обнаружении в облаке с помощью АПРТС следующего:

- параметры радиоэха соответствуют, приведенным в п.1;

- интенсивность молниевой активности высокая (молнии возникают через 5 сек и менее);

- РЛС_метр фиксирует в облаке зоны постоянного отражения;

- отмечаются большие значения водности в зоне облака на высотах более 8-9 км относительно ниже расположенных высот;

- регистрируется с помощью П_Р.ЭМИ электрические разряды в азимутальном секторе близком к сектору А⁰ _В, следует считать, что в нем возник смерч.

Предлагаемый способ может найти применение при проведении мероприятий, связанных с предупреждением различных служб о приближении смерча, что обеспечит безопасность различных отраслей хозяйства и населения в тех районах, где наблюдается наибольшая повторяемость смерчей, то есть приведет к уменьшению ущерба, вызываемого смерчем.

В России смерчи фиксируются на европейской территории каждое лето в разных местах и особенно на Черном и Азовском морях. На Черном море, например, за 6 лет было 24 смерча. В США за 35 лет, с 1916 по 1950 г. отмечено 5204 смерча, то есть ˜149 в год.

Литература

1. Батан Л.Дж. Радиолокатор наблюдает погоду. Л.: Гидрометеоиздат, 1964, 105 с.

2. Руководство по производству наблюдений и применению информации с неавтоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1993, 357 с. (РД 52.04.320-91).

3. Метеорологические автоматизированные радиолокационные сети. Гидрометеоиздат, С-Пб, 2002, 331 с. (Базлова Т.А., Бочарников Н.В., Брылев Г.Б. и др.).

4. Баранов A.M., Солонин С.В. Авиационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1981, 455 с.

5. Наливкин Д.В. Смерчи. М.: Издательство «Наука», 1984, 110 с.

6. Кушин В.В. Смерч. М.: Энергоатомиздат, 1993, 127 с.

7. Степаненко В.Д., Гальперин С.М. Радиотехнические методы обнаружения гроз. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 204 с.

8. Гальперин С.М, Степаненко В.Д. Исследование аномальных грозовых облаков с помощью РЛС метрового и сантиметрового диапазонов радиоволн. Труды 10-й международной конференции по атмосферному электричеству. Япония, 1996 г.

9. Гальперин С.М., Тугарин В.Г., Егоров В.Н., Степаненко В.Д. Особенности излучения гроз на частоте 500 кГц. Труды Всесоюзного симпозиума по радиофизическим исследованиям атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с.257-262.

10. Васильев А.А., Шметтер С.М. Влияние кучево-дождевых облаков на условия полетов. М.: Гидрометеоиздат, 1984.

11. Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Ильин Я.К. и др. Комплексное активно-пассивное радиолокационное зондирование облачности. Труды ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 411, Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с.3-12.

12. Вимберг Г.П., Тарабукин И.А., Щукин Г.Г. Оценка эффективности пассивно-активного радиолокационного метода определения средней водности переохлажденных зон облаков для использования в прогнозе возможного обледенения самолетов. Труды ГГО им. А.И.Воейкова. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, вып, 526, с.49-55).

13. Щукин Г.Г., Фалин В.В. и др. «Пассивно-активная радиолокационная система» Авторское свидетельство №1611080 по заявке №4454126 с приоритетом от 1 июля 1988 г.

Использование: для радиотехнического обнаружения смерча. Сущность: заключается в том, что используют метеорологический некогерентный (НМРЛ) или доплеровский радиолокатор (ДМРЛ), сопряженный с радиометром, предназначенным для определения водности облаков, при этом одновременно используют радиолокатор метрового диапазона радиоволн (РЛС_МЕТР) для обнаружения электрических процессов в облаках типа ионизированных каналов молний и прибор направленного приема электромагнитного излучения электрических разрядов (П_Р.ЭМИ), возникающих в облаках, причем в том случае, если одновременно обнаружены азимутальные сектора радиоэха облаков с помощью НМРЛ (ДМРЛ) с верхней границей радиоэха больше 9-10 км и вертикальным профилем максимальной радиолокационной отражаемости до высоты 7-8 км; высокая интенсивность молниевой активности (молнии возникают через 5 сек и менее); зоны постоянного отражения в облаке, обнаруживаемые РЛС_МЕТР; большие значения водности в зоне облака на высотах более 8-9 км относительно ниже расположенных высот; электрические разряды, фиксируемые П_Р.ЭМИ, в азимутальном секторе, близком к азимутальному сектору, где водность имеет повышенное значение относительно ниже расположенных высот, то в этом случае следует считать, что в облаке возник смерч. Технический результат: повышение достоверности дистанционного обнаружения смерчей (торнадо) с помощью активно-пассивных радиотехнических средств. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ радиотехнического обнаружения смерча, содержащий метеорологический некогерентный (НМРЛ) или доплеровский радиолокатор (ДМРЛ), сопряженный с радиометром, предназначенным для определения водности облаков, отличающийся тем, что одновременно используют радиолокатор метрового диапазона радиоволн (РЛС_МЕТР) для обнаружения электрических процессов в облаках типа ионизированных каналов молний и прибор направленного приема электромагнитного излучения электрических разрядов (П_Р.ЭМИ), возникающих в облаках, причем в том случае, если одновременно обнаружены азимутальные сектора радиоэха облаков с помощью НМРЛ (ДМРЛ) с верхней границей радиоэха больше 9-10 км и вертикальным профилем максимальной радиолокационной отражаемости до высоты 7-8 км; высокая интенсивность молниевой активности (молнии возникают через 5 с и менее); зоны постоянного отражения в облаке, обнаруживаемые РЛС_МЕТР; большие значения водности в зоне облака на высотах более 8-9 км относительно ниже расположенных высот; электрические разряды, фиксируемые П_Р.ЭМИ, в азимутальном секторе, близком к азимутальному сектору, где водность имеет повышенное значение относительно ниже расположенных высот, то в этом случае следует считать, что в облаке возник смерч.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для достижения электромагнитной совместимости при проведении одновременных наблюдений на НМРЛ (ДМРЛ) и РЛС_МЕТР все используемые в наблюдениях РЛС излучают одновременно зондирующие импульсы, создаваемые блоком единого запуска.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в целях исключения помех, создаваемых НМРЛ (ДМРЛ) и РЛС_МЕТР, поступающих на вход приемника регистрации электромагнитного излучения электрических разрядов, этот приемник на своем входе соединен с антенной через ключевой каскад, запирающий вход приемника на время излучения зондирующих импульсов передатчиками РЛС по сигналу, следующему на ключевой каскад от мультивибратора, запускаемого от блока единого запуска РЛС.