РАДИОЛОКАТОР ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА Российский патент 2024 года по МПК G01S13/95 G01P5/00 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для дистанционного зондирования атмосферы, в частности измерение вертикального профиля скорости, направления и турбулентности ветра радиолокационным методом.

В последнее время возросла необходимость в исследовании нижних слоев атмосферы. В ней сосредоточены более 4/5 массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвенция, сосредоточена основная часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Изучение этих явлений позволит повысить точность предсказания погоды и климата.

Методы решения обозначенных проблем могут быть различными:

- аэрологическое зондирование радиозондами

- метеорологическая радиолокация

- лазерная локация

- акустическая локация

- радиоакустическое зондирование

- радиолокационное зондирование.

Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, либо большая дискретность по времени, как у аэрологических радиозондов, либо малая высота зондирования, как у лазерных и акустических систем, либо отражение сигналов от различных гидрометеоров.

Радиолокационные наблюдения и измерения, основанные на рассеянии радиоволн гидрометеорами, диэлектрическими неоднородностями воздуха, сопутствующими атмосферным явлениям, частицами аэрозоля, широко применяются в метеорологии. B последние годы все большее применение находят радиолокаторы «ясного неба» (ОЯН) с узкими вертикально направленными диаграммами излучения для измерения высотного распределения (профиля) параметров ветра в тропосфере и стратосфере [Горелик А.Г., Пацаева В.А. Измерение ветра в пограничном слое по радиолокационным отражениям от «ясного неба» // Метеорология и гидрология, 1967, № 3.].

B отличие от контактных методов, дистанционное зондирование позволяет оценивать физический параметр среды, основываясь на теории, связывающей этот параметр c некоторым измеряемым параметром, применительно к задаче оценки скорости ветра. В данном случае измеряемым параметром могут стать отражения радиосигналов от метеорологических неоднородностей атмосферы, в случае ОЯН, от неоднородностей диэлектрической проницаемости атмосферы.

Атмосферный пограничный слой характеризуется постоянно флуктуирующими в пространстве и во времени температурой, влажностью и давлением. При этом возникают неоднородности коэффициента диэлектрической проницаемости воздуха. Размеры этих неоднородностей от нескольких сантиметров до десятков дециметров, таким образом, согласно условию Брэгга, в обратном направлении наиболее эффективно отражаются радиоволны, длина которых соизмерима с половиной длины отражающей неоднородности.

Неоднородности движутся в пространстве с некоторой средней скоростью (скоростью ветра), а также имеют случайную (турбулентную) составляющую [Горелик А.Г., Мельников Ю.В., Черников А.А. Связь статических характеристик радиолокационного сигнала с динамическими процессами и микроструктурой метеообъектов // Тр. ЦАО, 1963, вып. 48, с. 29-36.]. При облучении неоднородностей передающей антенной на приемной антенне образуется случайная дифракционная картина, обработка которой позволяет построить спектр скорости ветра вычислить среднюю скорость и среднеквадратичное отклонение ветра в исследуемом объеме пространства (диапазона высот).

Известно устройство измерения скорости ветра, основанное на принципе доплеровского радиолокатора, см. патент РФ № 246091. Этот способ очень сложен: требует дополнительно к доплеровскому радиолокатору двух радиолокационных радиозондовых метеокомплексов.

В настоящее время в зарубежных странах широко используются так называемые «профайлеры» - радиолокаторы параметров ветра (РПВ), особенно на космодромах и аэродромах для метеообеспечения пусков ракет и полетов самолетов, технические решения которых защищены патентами, например №№ 4481514, 4445120, 5686919, 5689444 все США. Все они имеют свои особенности (достоинства) и недостатки.

Также известно устройство определения вертикального профиля ветра в атмосфере см. патент РФ № 2585793.

Устройство включает в себя приемопередатчик, который излучает длинные когерентные импульсы, регистрирует отраженный сигнал и получает доплеровский спектр ответного сигнала на различных высотах в различных направлениях зондирования. Уточнение профиля скорости ветра в пределах данного участка проводят с учетом полной формы доплеровских спектров по двум или нескольким направлениям зондирования, в которых ширина спектра максимальна и с учетом закона ослабления принимаемой мощности от расстояния до приемопередатчика. Технический результат заключается в повышении чувствительности измерительной системы.

Недостатком этого устройства является большая техническая сложность в его практической реализации, а технический результат «повышение чувствительности» вызывает сомнения, также существенным недостатком является применение одной антенны с механическим сканированием.

Наиболее близким техническим решением является профайлер «PCL-1300» компании Degrean Horizon (Франция). Он является импульсным радаром с рабочей частотой 900-1300 МГц. Отличительной особенностью является наличие 3х антенн выполненных в виде фазированных решеток и принимающих сигнал одновременно с 3 направлений. Система выполняется без поглощающей защиты, а это приводит к значительному влиянию боковых лепестков, которые при высокой чувствительности приемника регистрируют шумы и ложные сигналы от близлежащих строений, деревьев и всех проезжающих видов транспорта. Это приводит к тому, что, несмотря на заявленную высоту зондирования с 150 м, фактическая высота измерений начинается нередко с 500 м.

Основные недостатки данного профайлера состоят в низкой помехозащищенности и, из-за наличия трех антенн - аппаратной сложности оборудования, а также сложностей применения в нашей стране диапазона частот 900-1300 МГц.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения ветровых параметров, снижение габаритно-массовых характеристик радиолокатора, применения разрешенного в России диапазона частот 1680 МГц для аэрологического зондирования, и повышения эксплуатационных качеств.

Технический результат - повышение точности измерения ветровых параметров, снижение габаритно-массовых характеристик радиолокатора и повышения эксплуатационных качеств профайлера достигается за счет построений схем когерентного доплеровского радиолокатора параметров ветра на аппаратно-программном принципе, а также обработки отраженных сигналов на основе математической обработки так называемого метода временного накопления (интегрирования во времени) измеряемых сигналов на каждом значении высоты и по всему заданному диапазону высот.

Для решения поставленной задачи предлагается радиолокатор параметров ветра (РПВ), представляющий собой программно-аппаратный комплекс, характеризующийся тем, что в качестве доминантны измерения параметров ветра приняты метеорологические неоднородности атмосферы, при этом радиолокатор содержит антенну с N секциями фазированной антенной решетки (ФАР) с сумматором и блоком приводов антенны, блок передатчика с усилителем мощности СВЧ-сигнала, аналого-цифровой приемник, блок обработки радиолокационной информации, блок управления и задающего генератора, автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, блок управления двигателями привода антенны, и девять дуплексных шин ДШ, при этом блок управления РПВ второй ДШ соединен со входом блока передатчика, третьей ДШ с аналого-цифровым приемником, пятой ДШ - с блоком обработки радиолокационной информации, шестой ДШ - с АРМ оператора, вход-выход передатчика соединен первой ДШ через сумматор с N секциями ФАР, выход передатчика соединен со входом аналого-цифрового приемника, который через четвертую ДШ соединен с блоком обработки радиолокационной информации, который в свою очередь через седьмую ДШ соединен с АРМ оператора, АРМ оператора восьмой ДШ соединен с блоком управления двигателями антенны, который девятой ДШ соединен с блоком приводов антенны.

На фиг. 1 показана структурная электрическая схема РПВ, на которой изображено:

1 - ФАР

2 - блок приводов антенны по углам азимута и места

3 - блок передатчика РПВ с усилителем мощности СВЧ-сигнала

4 - аналого-цифровой приемник РПВ

5 - блок обработки радиолокационной информации

6 - блок управления и задающего генератора РПВ

7 - автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора РПВ

8 - блок управления двигателями приводов антенны

9 - сумматор

10 -антенная решетка, состоящая из секций (1 … N штук)

ДШ 1 - ДШ 9 - дуплексные (двунаправленные) информационно-управляющие шины связи

Источник питания условно не показан.

Схема имеет следующие соединения: блок управления РПВ 6 второй ДШ соединен со входом блока передатчика 3, третьей ДШ с аналого-цифровым приемником 4, пятой ДШ - с блоком обработки радиолокационной информации 5, шестой ДШ - с АРМ оператора 7, вход-выход передатчика 3 соединен первой ДШ через сумматор 9 с N секциями 10 ФАР, выход передатчика соединен со входом аналого-цифрового приемника 4, который через четвертую ДШ соединен с блоком обработки радиолокационной информации 5, который в свою очередь через седьмую ДШ соединен с АРМ оператора 7, АРМ оператора восьмой ДШ соединен с блоком управления двигателями антенны 8, который девятой ДШ соединен с блоком приводов антенны 2.

Блоки системы имеют следующие функции.

Блок управления и задающего генератора передает СВЧ-сигнал на усилитель мощности блока передатчика, который усиливают его до необходимой мощности и передает его через сумматор на секции ФАР, так же через ФАР принимается отраженный сигнал и через блок передатчика передается в аналого-цифровой приемник РПВ.

Аналого-цифровой приемник РПВ получает принимаемый ответный сигнал от блока передатчика РПВ, усиливает и преобразует его и передает в блок обработки радиолокационной информации.

Блок обработки радиолокационной информации принимает сигнал от аналого-цифрового приемника РПВ, производит необходимую обработку и результаты обработки передает в АРМ оператора РПВ.

АРМ оператора РПВ управляет через блок управления и задающего генератора РПВ всей работой РПВ, положением антенны, а также получает обработанную информацию от блока обработки радиолокационной информации, преобразует ее в необходимый вид для дальнейшего использования, учета и хранения.

Конструкция РПВ состоит из трех основных частей: ФАР, стойки с электронными блоками и рабочего места оператора - АРМ.

На фиг. 2 изображены 3 проекции радиолокатора, на которых показано ФАР 1 состоит из N секций 10, расположенных на правильном многоугольном основании, которое крепиться к блоку приводов антенны - азимутального и угломестного 2, блок приводов установлен на треножной стойке, на ней же находится блок управления двигателями приводов 8. Секции ФАР соединяются через сумматор 9 с блоком передатчика 3, который с аналого-цифровым приемником 4 и блоком управления 6 находится в приборном отсеке антенны; стойка с остальными электронными блоками и АРМ оператора 7 расположены около антенны в экранированном от СВЧ-излучения отдельном помещении или контейнере, и связаны с антенной экранированными кабелями.

Такая конструкция радиолокатора позволяет, при соответствующем изменении частот задающих генераторов, фильтров и размеров антенной решетки, работать в дециметровом диапазоне частот.

Необходимо отметить некоторые особенности оценки погрешности измерения параметров ветра.

Точность измерений параметров ветра и турбулентности в значительной мере будет зависеть от энергетического потенциала радиолокатора - соотношения сигнал/шум и особенностей обработки сигнала [Горелик А.Г., Князев Л.В., Углова Л.Н. Радиолокационные отражения от «ясного неба» в дециметровом диапазоне радиоволн // Изв. АН СССР, ФАО, т. IX, вып. 2, 1973.]. Достоверность измерений при этом будет определяется методиками статистической обработки данных.

С другой стороны, оценить разрешение по скорости и дальности можно с помощью известных соотношений:

ΔV_в= λ / 2Δτ_и ,

где: ΔV_в - разрешение по скорости;

λ - длина волны;

Δτ_и - длительность радиоимпульсов.

Разрешение по скорости увеличивается по мере уменьшения длительности радиоимпульсов. Но при этом ухудшается разрешение по дальности равное ΔR= с Δτ_и / 2. В результате, разрешение по дальности и скорости связаны соотношением неопределенностей:

ΔR ΔV_в = λ с /4,

где: ΔR - разрешение по дальности;

ΔV_в - разрешение по скорости;

λ - длина волны;

с - скорость света.

Для повышения уровня отраженного сигнала осуществляется процедура когерентного накопления информации и последующая цифровая обработка.

С учетом выбранной геометрии зондирования можно рассчитать доплеровский сдвиг (диапазон частот в доплеровском спектре) при максимальной скорости ветра 100 м/с для частоты 1680 МГц:

где: F_д,max - частота доплеровского сдвига;

V_max - скорость ветра, максимальная;

ε - угол наклона луча;

λ - длина волны = 0,179м

Для скорости ветра 10 м/с F_д=38 Гц, столь малое значение доплеровских частот (десятки и сотни герц) [Горелик А.Г. Доплеровская радиолокация в метеорологии // МГАПИ, 1996.] предъявляет повышенные требования к чистоте и стабильности всех генерируемых частот.

Поскольку уровень сигналов близок или на 10-25 дБ ниже уровня шумов, то необходимо максимально повышать чувствительность приемников и излучать мощности близкие к предельно возможным. Оценки показывают, что минимальное значение средней излучаемой мощности Р, умноженной на площадь антенной системы S желательно довести до уровня P*S≥10⁵ Вт*м².

На фиг. 3 изображена схема формирования отраженного сигнала от объема метеорологических неоднородностей: отраженный сигнал формируется объемом зондирования, который определяется шириной диаграммы направленности антенны и длительностью радиоимпульса. Прием отраженного сигнала осуществляется путем усреднения по времени в исследуемом интервале высот. Прием слабого отраженного сигнала производится путем когерентным накоплением энергии в течение длительного времени.

Параметры ветра описываются скоростью V(Н) и направлением β_o(Н) являющиеся функциями высоты и времени [А.Г. Горелик, С.Ф. Коломиец, Г.Г. Щукин. Информационные возможности ветровых профайлеров при зондировании атмосферы. // Метеорология. Ученые записки №18, МГАПИ, 2004.]. Пространственные изменения воздушного потока характеризуются скоростью V_г(x, y, H, t) и направлением β_o(x, y, H, t) на высоте Н.

Величина доплеровского сдвига отраженного сигнала, направление зондирования и длина волны зондирующего сигнала связана с параметрами отражающего объема воздушного потока на высоте Н следующим соотношением [А.Г. Горелик, С.Ф. Коломиец, Г.Г. Щукин. Информационные возможности ветровых профайлеров при зондировании атмосферы. // Метеорология. Ученые записки № 18, МГАПИ, 2004.]:

F_d = 2/λ{V_г(x, y, H, t) соs[β_з - β_o(x,y,H,t)] cos ε_з ± V_в(x, y, H, t)sin ε_з },

где F_d- частота доплеровского сдвига;

λ - длина волны;

V_г - горизонтальная составляющая ветра;

V_в - вертикальная составляющая ветра;

x, y - координаты рассеивающего объема на высоте H;

H - высота воздушного потока;

t - длительность зондирующего импульса;

β_з - направление зондирования;

β_o - направление в зенит;

ε_з - угол места.

РПВ пограничного слоя работают в дециметровом диапазоне частот и отличаются небольшими размерами фазированных антенных решеток [Справочник. Использование радиочастотного спектра в метеорологии: прогнозирование и мониторинг погоды, климата и качества воды. WMO-ITU 2009. Издание 2008г. Бюро радиосвязи. Отпечатано в Швейцарии Женева, 2009 г. ISBN 92-61-12844-0.]. Поэтому изменение направления ДН осуществляется путем механического сканирования, по схеме, изображенной на фиг. 4. Геометрическая структура схемы измерения составляющих доплеровской скорости ветра u, ν, ѡ позволяет вычислить направление и величину горизонтального ветра в анализируемом слое на измеряемой высоте по следующим соотношениям:

v =

w = V_z

где: w = -Vz - вертикальная скорость, определяемая непосредственно из доплеровского сдвига вертикального луча;

V_x, V_y, V_z - измеренная радиальная скорость в направлении x,y,z;

u - горизонтальная скорость в направлении x;

ν - горизонтальная скорость в направлении y;

ε - угол наклона луча в направлении x или y.

Для определения направления и скорости ветра на высоте Н измерения проводят для четырех направлений в азимутальной плоскости ДН ФАР РПВ, как правило, ориентированных по сторонам света, фиг. 3а. На фиг. 3б показаны измеряемые РПВ составляющие вектора ветра при произвольном направлении ветра. Практически для повышения точности измерения осуществляют в двух противоположных направлениях для каждого из четырех фиксированных направлений зондирования. Зондирование осуществляется также в вертикальном направлении. Это позволяет исключить составляющую вертикального движения неоднородностей за счет гравитационного падения из суммарного вектора ветра и снизить погрешность оценки горизонтального ветра. Оптимальный наклон диаграммы направленности ФАР относительно вертикали в пределах 15-20 градусов позволяет сохранить приемлемый уровень отраженного сигнала.

Для подтверждения вышеизложенных сведений был создан рабочий образец радиолокатора параметров ветра диапазона 1680 МГц. Этот диапазон в РФ (и в мире) используется для работы метеорологических радиозондов для измерения параметров атмосферы путем их запуска 2 раза в сутки. Таким образом, в остальное время данный диапазон не используется, и работа РПВ этого диапазона не будет создавать «лишних» помех, а также не будут создаваться помехи работе самого РПВ.

В таблице показаны основные технические характеристики РПВ диапазона 1680 МГц.

Таблица
Технические параметры профайлера диапазона 1680 МГц № п/п Технический параметр Значение параметра Примечание 1. Несущая частота передатчика, МГц 1680 ±0,1
λ = 17,9 см 2. Импульсная мощность передающего модуля, не менее, кВт 0,4
1,0 В зависимости от режима работы 3. Длительность когерентных радиоимпульсов, мкс
(модуляция АИМ) 0,6
1,2 В зависимости от режима работы 4. Ширина полосы излучения главного лепестка спектра излучения, МГц 0,7-4,0 Определяется длительностью радиоимпульса 5. Класс излучения по таблице №4
(тип модуляции)
Класс излучения по таблице №1 Главы III (НШПИ) 4M30PON
CASK M=16
NPN Последовательность когерентных радиоимпульсов. 6. Период следования радиоимпульсов, мкс 60
120 В зависимости от режима работы 7. Разрешение по высоте, м 75, 150 В зависимости от режима работы 8. Минимальная высота, м 100 - 300 В зависимости от местных помех и режима работы 9. Максимальная высота, км 2 - 5 В зависимости от атмосферных условий и режима работы

Были проведены испытания созданного рабочего образца РПВ. Теоретические представления по работе РПВ на частоте 1680 МГц полностью подтвердились. Были получены ответные сигналы на высотах до более 2000 метров. Общее время замера параметров ветра - 5-10 минут. Ниже представлены некоторые результаты проведенных испытаний.

На фиг. 5 представлены спектры ответного сигнала на высотах 331, 1127 и 2044 м по одному из направлений, полученные в ходе испытаний рабочего образца РПВ диапазона 1680 МГц.

На фиг. 6 верхняя спектрограмма на наклонной дальности 2430 м, соответствует высоте 2284 м и полезный сигнал уверенно различим. По мере увеличения высоты частота доплеровского сигнала плавно увеличивается с 40 до 70 Гц, что соответствует горизонтальной составляющей скорости ветра от 10 до 19 м/с в этом направлении. Разрешение по высоте составляет 75 м. Нижняя граница полезного сигнала (примерно 350 м) ограничена отражением от местных предметов.

V_г - горизонтальная составляющая ветра;

V_в - вертикальная составляющая ветра;

x, y - координаты рассеивающего объема на высоте H;

H - высота воздушного потока;

t - длительность зондирующего импульса;

β_з - направление зондирования;

β_o - направление в зенит;

ε_з - угол места.

РПВ пограничного слоя работают в дециметровом диапазоне частот и отличаются небольшими размерами фазированных антенных решеток [Справочник. Использование радиочастотного спектра в метеорологии: прогнозирование и мониторинг погоды, климата и качества воды. WMO-ITU 2009. Издание 2008г. Бюро радиосвязи. Отпечатано в Швейцарии Женева, 2009 г. ISBN 92-61-12844-0.]. Поэтому изменение направления ДН осуществляется путем механического сканирования, по схеме, изображенной на фиг. 4(а). Геометрическая структура схемы измерения составляющих доплеровской скорости ветра u, ν, ѡ позволяет вычислить направление и величину горизонтального ветра в анализируемом слое на измеряемой высоте по следующим соотношениям:

v = w = V_z

где: w = -Vz - вертикальная скорость, определяемая непосредственно из доплеровского сдвига вертикального луча;

V_x, V_y, V_z - измеренная радиальная скорость в направлении x,y,z;

u - горизонтальная скорость в направлении x;

ν - горизонтальная скорость в направлении y;

ε - угол наклона луча в направлении x или y.

Для определения направления и скорости ветра на высоте Н измерения проводят для четырех направлений в азимутальной плоскости ДН ФАР РПВ, как правило, ориентированных по сторонам света, фиг. 4(а). На фиг. 4(б) показаны измеряемые РПВ составляющие вектора ветра при произвольном направлении ветра. Практически для повышения точности измерения осуществляют в двух противоположных направлениях для каждого из четырех фиксированных направлений зондирования. Зондирование осуществляется также в вертикальном направлении. Это позволяет исключить составляющую вертикального движения неоднородностей за счет гравитационного падения из суммарного вектора ветра и снизить погрешность оценки горизонтального ветра. Оптимальный наклон диаграммы направленности ФАР относительно вертикали в пределах 15-20 градусов позволяет сохранить приемлемый уровень отраженного сигнала.

Для подтверждения вышеизложенных сведений был создан рабочий образец радиолокатора параметров ветра диапазона 1680 МГц. Этот диапазон в РФ (и в мире) используется для работы метеорологических радиозондов для измерения параметров атмосферы путем их запуска 2 раза в сутки. Таким образом, в остальное время данный диапазон не используется, и работа РПВ этого диапазона не будет создавать «лишних» помех, а также не будут создаваться помехи работе самого РПВ.

В таблице показаны основные технические характеристики РПВ диапазона 1680 МГц.

Таблица

Технические параметры профайлера диапазона 1680 МГц

№ п/п Технический параметр Значение параметра Примечание 1. Несущая частота передатчика, МГц 1680 ±0,1
λ = 17,9 см 2. Импульсная мощность передающего модуля, не менее, кВт 0,4
1,0 В зависимости от режима работы 3. Длительность когерентных радиоимпульсов, мкс 0,6
1,2 В зависимости от режима работы

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для измерения параметров ветра. Сущность: устройство представляет собой программно-аппаратный комплекс, содержащий антенну (1) с N секциями фазированной антенной решетки (10), сумматором (9) и блоком (2) приводов. Также устройство содержит блок (3) передатчика с усилителем мощности СВЧ-сигнала, аналого-цифровой приемник (4), блок (5) обработки радиолокационной информации, блок (6) управления и задающего генератора, автоматизированное рабочее место (7) оператора, блок (8) управления двигателями привода антенны, соединенные между собой с помощью девяти дуплексных шин. Технический результат: повышение точности измерения ветровых параметров, снижение габаритно-массовых характеристик радиолокатора. 6 ил., 1 табл.

Радиолокатор параметров ветра (РПВ), представляющий собой программно-аппаратный комплекс, содержащий антенну с N секциями фазированной антенной решетки (ФАР), сумматором и блоком приводов антенны, блок передатчика с усилителем мощности СВЧ-сигнала, аналого-цифровой приемник, блок обработки радиолокационной информации, блок управления и задающего генератора, автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, блок управления двигателями привода антенны и девять дуплексных шин (ДШ), при этом блок управления РПВ второй ДШ соединен со входом блока передатчика, третьей ДШ - с аналого-цифровым приемником, пятой ДШ – с блоком обработки радиолокационной информации, шестой ДШ – с АРМ оператора, вход-выход передатчика соединен первой ДШ через сумматор с N секциями ФАР, выход передатчика соединен со входом аналого-цифрового приемника, который через четвертую ДШ соединен с блоком обработки радиолокационной информации, который, в свою очередь, через седьмую ДШ соединен с АРМ оператора, АРМ оператора восьмой ДШ соединен с блоком управления двигателями антенны, который девятой ДШ соединен с блоком приводов антенны.