СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПЛОТНОСТИ ОБЛАЧНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2009 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения электромагнитной плотности облачной среды с целью определения физических характеристик среды, что необходимо для решения многих прикладных задач метеорологического и навигационного назначения.

Согласно определению электромагнитная плотность (D) характеризует поглощение энергии электромагнитного излучения слоем среды и выражается десятичным логарифмом частного от деления падающего на слой потока излучения к потоку, прошедшему через данный слой (Политехнический словарь, изд. Третье, гл. ред. А.Ю.Ишлинский. - М.: Советская энциклопедия, 1989, 348.).

Зная электромагнитную плотность облачной среды можно легко определить локальную водность (q) и суммарное количество воды (М), содержащееся в облаке, а также ряд других важнейших параметров облачной среды.

Известны различные способы измерения электромагнитных характеристик атмосферной среды методами дальномерной рефрактометрии с использованием интерферометров различного назначения (Радиогеодезические и электрооптические измерения. // Большаков В.Д., Деймлих Ф, Голубев А.Н., Васильев В.П. - М.: Недра, 1985, с.68-86).

Однако известные способы сложны в реализации и пригодны только для стандартной безоблачной атмосферы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ измерения параметров облачной среды, включающий радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием эхо-сигнала от локальной исследуемой ее области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R), расстояния (R) до максимума амплитуды и определением по данным измерения максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max(1)), с последующим определением отражаемости (η), а затем и параметров облачной среды по эмпирическим расчетным формулам (Руководство по применению радиолокаторов МРЛ-4, МРЛ-5 и МРЛ-6. / М.Т.Абшаев, И.И.Бурцев, С.И.Ваксенбург, Г.Ф.Шевела. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980, с.138-139 - ПРОТОТИП).

Однако известный способ измерения параметров облачной среды имеет массу недостатков. Один из них заключается в том, что на точность измерения радиолокационной отражаемости влияет множество факторов, значительная часть которых является неконтролируемой. Так, например, в известном способе возможна только амплитудная (энергетическая) регистрация сигнала, которая не учитывает влияние на точность измерения таких параметров, как содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

Указанные недостатки существенно снижают точность результатов измерений параметров облачной среды, что серьезно сказывается на решении многих проблем, связанных с навигацией морских и воздушных судов, а также решения практических задач, связанных с воздействием на облачные процессы с целью предотвращения градобитий и искусственного регулирования осадков.

Таким образом, в настоящее время способа измерения электромагнитной плотности облачной среды радиолокационным методом не существует, а все результаты измерений параметров облачной среды базируются на измерении одного единственного параметра - радиолокационной отражаемости (η), точность измерения которой в зависимости от конкретных условий может составлять от 100° и более процентов (Конторов Д.С., Конторов М.Д., Слока В.К. Радиоинформатика. - М.: Радио и связь, 1993, с.186).

С учетом этого техническим результатом от использования заявленного технического решения является радиолокационный способ измерения электромагнитной плотности облачной среды и повышение точности измерения искомых параметров.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения электромагнитной плотности облачной среды, включающем радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием эхо-сигнала от локальной исследуемой области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R), расстояния (R) до максимума амплитуды и определением по данным измерения максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1) и максимальной интенсивности сигнала (Z_max.1), дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала, для чего на приемном конце радара вводят ступени затухания энергетического потенциала радара (ΔZ), имитируя, таким образом, перемещение локальной исследуемой области по оси дальности, затем с экрана радара определяют проекцию огибающей эхо-сигнала на данную ось до перемещения исследуемой локальной области (ΔR₁) по оси дальности и после ее перемещения (ΔR₂), после чего по соотношению найденных величин (ΔR₁ и ΔR₂) определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2) по формуле

где

а R_e - единичное расстояние, равное 1 км,

и геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_mах.1), по формуле

затем определяют электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле

.

Технический результат достигается и тем, что в известном способе измерения электромагнитной плотности облачной среды при определении проекции огибающей радарного эхо на ось расстояний берется начальный участок огибающей эхо-сигнала, ограниченный спереди точкой пересечения огибающей с осью дальности, а сзади - максимумом интенсивности эхо-сигнала.

Технический результат достигается и тем, что в известном способе измерения электромагнитной плотности облачной среды максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) определяют по формуле

.

Предлагаемый способ измерения электромагнитной плотности облачной среды позволяет существенно повысить точность измерения за счет когерентной обработки сигнала, при которой учитывается влияние на результат измерения содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

Сущность изобретения поясняется рисунком, где схематически представлена система, реализующая предлагаемый способ.

На чертеже схематически представлен радар 1. По оси дальности (0-Х) схематически изображено облако 2, в котором выделена локальная исследуемая область 3. Принятый от объекта локации видеосигнал представлен на чертеже в виде огибающей 4. Максимальная амплитуда сигнала под огибающей обозначена через (Z_R), а расстояние от радара до этой амплитуды обозначено через R. Видеосигнал, полученный при имитации перемещения локальной исследуемой области 3 по оси дальности (0-Х) путем введения на приемном конце радара ступени затухания энергетического потенциала (ΔZ), представлен в виде огибающей 5. Проекции огибающих эхо-сигналов 4 и 5 на ось расстояний (0-Х) обозначены соответственно через ΔR₁ и ΔR₂. При определении проекций огибающих эхо-сигнала ΔR₁ и ΔR₂ берется начальный участок огибающих 4 и 5, ограниченный максимумом интенсивности эхо-сигнала (Z_R). На чертеже данные участки обозначены жирной линией.

Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды реализуется следующим образом.

Предварительно осуществляют радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, например 10 см, и выделяют в нем исследуемую локальную область 3, где необходимо определить радиолокационную отражаемость облачной среды. В процессе зондирования облака 2 осуществляют прием эхо-сигнала от исследуемой локальной ее области 3 и отображают его на экране радара 1 в виде огибающей 4. После этого осуществляют некогерентную обработку сигнала. Для этого с экрана радара определяют максимальную амплитуду сигнала (Z_R) под огибающей 4 и расстояние (R) от радара до найденного уровня (Z_R). Далее, используя найденные значения (R) и (Z_R), расчетным путем находят максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) и максимальную амплитуду сигнала (Z_R) под огибающей 4. Для повышения точности измерения радиолокационной отражаемости дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала и определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2) по формуле

где

а R_e - единичное расстояние, равное 1 км

и геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1), по формуле

затем определяют электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле

.

Пример конкретного выполнения способа

В качестве примера приводится результат измерения в полевых условиях радиолокационной отражаемости, где использовался метеорологический радар типа МРЛ-5, имеющий в штатном режиме постоянную C_λ=2,5·10²⁶ см³ и длину волны излучения λ=10 см.

В процессе радиолокационного зондирования в облаке был выделен локальный объем облачной среды, создающей в точке приема отраженный сигнал со следующими параметрами:

R=78 км; Z_R=18 дБ (в одном направлении); ΔR₁=6,2 км; ΔR₂=4,0 км; ΔZ=9 дб - в одном направлении. Значения Z_R, ΔR₁ и ΔR₂ определены с экрана радара по огибающей эхо-сигнала.

Используя исходные данные, определяем:

1. Максимальную дальность аппаратурного контакта при некогерентной обработке сигнала:

2. Максимальную интенсивность эхо-сигнала:

3. Максимальную дальность аппаратурного контакта при когерентной обработке сигнала:

4. Геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1):

5. Значение электромагнитной плотности облачной среды (D), соответствующей найденному значению геометрического пути:

Полученное таким образом значение электромагнитной плотности может быть использовано для определения с высокой точностью таких параметров атмосферной среды, как отражаемость, водность, суммарное количество воды в облаке и т.д.

Предлагаемый способ в сравнении с известным обеспечивает высокую точность измерения параметров облачной среды за счет когерентной обработки сигнала, позволяющей учесть влияние на точность результата содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения электромагнитной плотности облачной среды с целью определения физических характеристик среды. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности измерения искомых параметров. Согласно способу осуществляют радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от локальной исследуемой ее области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R) и расстояния (R) до этой амплитуды. Затем по результатам некогерентной обработки сигнала определяют максимальную дальности аппаратурного контакта (R_max.1). После этого дополнительно осуществляют когерентную обработку видеосигнала путем имитации перемещения локальной исследуемой области по оси дальности. Затем по соотношению параметров видеосигнала до и после перемещения находят максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2). После чего определяют геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.2), и соответствующую ей электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле

где R_e - единичное расстояние, равное 1 км. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения электромагнитной плотности облачной среды, включающий радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от локальной исследуемой области и отображение его на экране радара в виде огибающей с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R), расстояния (R) до максимума амплитуды на экране радара и определение по данным измерения максимальной дальности радара (R_max.1) и максимальной интенсивности сигнала (Z_max.1), отличающийся тем, что дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала, для чего в приемной аппаратуре радара вводят ступени затухания энергетического потенциала радара (ΔZ), имитируя таким образом перемещение локальной исследуемой области по оси дальности на экране радара, затем на экране радара определяют проекцию огибающей эхо-сигнала на данную ось до перемещения исследуемой локальной области (ΔR₁) по оси дальности и после ее перемещения (ΔR₂), после чего по соотношению найденных величин (ΔR₁ и ΔR₂) определяют максимальную дальность радара (R_max.2) по формуле

где ,
a R_e - единичное расстояние, равное 1 км, и геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности радара (R_max.1) по формуле
,
затем определяют электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле
.

2. Способ измерения электромагнитной плотности облачной среды по п.1, отличающийся тем, что при определении проекции огибающей радарного эха на ось расстояний берется начальный участок огибающей эхо-сигнала, ограниченный спереди точкой пересечения огибающей с осью дальности, а сзади - максимумом интенсивности эхо-сигнала.

3. Способ измерения электромагнитной плотности облачной среды по п.1, отличающийся тем, что максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) определяют по формуле
.