Способ измерения интенсивности дождя и устройство для его реализации Советский патент 1984 года по МПК G01S13/95 

1П Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться fljm определения интенсивности дождя радиолокационным способом. Известны спосьб и устройство l измерения интенсивности дождя, основанные на определении с помощью радиолокатора с линейной поляризаци ей излучения радиолокационной отражаемости и последующем расчете интенсивности дождя по формуле j-/ (А I интенсивность дождя, мм/ч; радиолокационная- отражаеМОСТЬ, постоянные коэффициенты, А, В определяемые эмпирическим путем. Однако известные способ и устрой ство измерения интенсивности дождя не обеспечивают заданной точности измерений, что обусловлено изменчивостью коэффициентов А и В и отсутствием информации, позволяющей корректировать эти коэффициенты. Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения интенсивности дождя, основанньй на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линей ной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала, поляризация которого совпадает с поляризацией измеряемого сигнала, измерении отношения g д мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника, расчете по измеренному отношению g радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме о раженного от дождя второго радиолокaциoннoгcf сигнала., измерении отношения g| мощности собственного шума приемника и расчете интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g, g 2. Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенны переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последователь но соединенные приемник, блок строб рования, пиковьй детектор, интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй вы2ход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника С2. Однако известные способ и устройство не обеспечивают требуемой мощности измерений интенсивности дождя. Цель изобретения - повьш1ение точности измерения интенсивности дождя. Цель достигается, тем, что согласно способу измерения дождя, основанному на облучении дождя первым радиолокационньм сигналом линейной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала той же поляризации, измерении отношения g j мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала, измерении отношения g 1 мощности, второго радиолокационного сигнала к мощности собственного шума приемника с последующим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g , g , излучаемый и принимаемый вторые радиолокационные сигналы имеют круговую поляризацию, а интенсивность дождя J определяют по формуле . . V 522lf ;j.0,48 где Z - радиолокационная отражаемость, дождя. В устройство измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенньй переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор , интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных .сигналов подключен к входу приемника, введены вращающаяся секция круглого волновода, со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, вал 31 которого соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, причем выход антенного переключателя подключен к входу антенны через вращающуюся чекцию кругдого волновода со встроенной четвертьволновой пластинкой. На чертеже представлена структур- нал электрическая схема предлагаемого устройства измерения интенсивности доящя. Устройство содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, вращающуюся секцию 3 круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, антенну 4, приемлик 5, блок 6 стробирования, пиковый детектор 7, интегратор 8, генератор 9 Стандартных сигналов, блок 10 управления, исполнительный механизм 11, вычислитель 12. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Интенсивность осадков может быть определена следующим образом то, Л 4МО-М f.H,))J(d,), (t) где J - интенсивность осадков, мм/ч-,, f(dj)- функция распределения частиц осадков в единице объема по эквивалент ным диаметрам, dj - эквивалентный диаметр частиц, мм; d , d . - максимальньй и минималь (пах mm„ ньм диаметры частиц, V(dj) - скорость падения частиц в зависимости от эквивалентного диаметра, м/с. Распределение частиц осадков по размерам описывается распределением ршала-Пальмера pCd) N , (2) где N и Л - параметры распределения а зависимость скорости падения частиц от эквивалентного диаметра - выражением вида

O.S

vCdj)

с d

Таким образом, если все капли имеют одинаковый размер, измерив л. I4 где С - постоянный множитель (С 4,1). Подставляя (2) и (3) в (1) и производя интегрирование, можно получить-2. N Радиолокационная отражаемость ; выражается через функцию распределе- ния частиц по размерам следующим образом 1 max Z J(dj)d d(dj). .;- Itn II/ r- Подставляя в (5; распределение Марщала-Пальмера и учитьшая, что радиолокационная отражаемость выражается через радиусы частиц, получимэ°(э) ) Капли дождя имеют форму, отличную от сферической, причем, чем больше размер капли, тем больще отличие её формы от сферы. При этом отношение вертикального размера капли к горизонтальному определяется соотношением-|- 1,03-0,124 г, для 0,5 мм г 4.5 мм ) где г - эквивалентный радиус капли, MMi Г т Фзктор формы частицы. Фактор формы частиц может быть измерен по отношению мощностей зхосигналов, принимаемых при круговой и линейной поляризации. При этом отношение мощностей связано с фактором формы следующим соотношением где р- - отношение средних мощр ностей при круговой и линейной поляризациях; у- фактор формы частиц. Решив уравнения (7) и (8) совместно относительно 2г dj, получим ЗЭ,22У/ Г-|-0,4а l-t-zV/w можно однозначно определить их эквивалентный диаметр; Радиолокационная отражаемость о ной частицы Z. пропорциональна шес той степени ее эквивалентного диаметра1 э Радиолокационную отражаемость п частиц с одинаковыми эквивалентным диаметрами можно записать г„ nk d, Количество частиц в единице объема размер которых лежит в интервале d, d- +ЛdэJ, равно п Nj j(d3)d(dj), dj где N - концентрация частиц (.общая Пусть &dj . d mo(;c- «imin тог п N - (dp ud . (1 С учетом (10) и (11) радиолока ционная отражаемость частц, разме ры которых лежат в интервале dg, d + 4d, может быть записан следующим образом Z(d3, dj - 4 dp nk d. k N pCd,) d . Ad . ( Суммарная радиолокационная отр жаемость единицы объема равна / Z k-N - dg . о (d)- d(dp о-0 а функция Z(d,) выражается следую щим образом э (э) Ч.или для распределения капель по размерам типа Маршала-Пальмера .ТТ-.е Первьй начальный момент этого распределения (среднее значение) вен г| J.KHKI-l lf Win Отсюда эз,22У/Г + оле т.е. по измеренному и можно однозначно определить параметр А распределения капель дождя по размерам. Соотношение (16) отражает следующее физическое явление: при уменьшении параметра Д распределение капель по размерам, относительная концентрация крупных капель увеличивается, полоса размеров капель, дающих основной вклад в радиолокационную отражаемость, смещается в сторону больших размеров. При этом отличие формы капель от сферы увеличивается и соответственно отнош ие мощностей эхо-сигналов при круговой и линейной поляризации увеличивается. Вьфазив параметр N через радиолокационную отражаемость Z в соответствии с (6) и подставив его в соотноПОЛУЧИМ-21 2 л 8-1о- 1Л 3, И,гб (16) будем иметь С учетом 1+2.1 2 . (1ft) 33,22Tiu -f-0,48 Полученное соотношение позволяет по измеренным значениям Z и /а рассчитать интенсивность дождя. Устройство работает следующим образом. J Вращающаяся секция 3 круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой может занимать два фиксированньк положения. В первом положении плоскость фазовой пластинки либо параллельна, либо перпендикулярна широкой стенке прямоугольного волновода, соединяющего передатчик.и вращающуюся секцию и в том и в другом случае поляризация излучения линейная, во втором положении плоскость фазовой пластинки ориентирована под углом 45° относительно широкой стенки прямоугольного волновода. Прямоугольный волновод соединяется с вращающейся секцией круглого волновода плавным переходом. Выход вращающейся секции соединен с коническим рупорным облучателем антенны 4 круглым волноводом. Переход из одного фиксированного положения в другое осуществляется с помощью исполнитель7ного механизма 11, выполненного в виде синхронного шагового микродвигателя, преобразующего команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала. Исполнительньй механизм 11 соединен с вращающейся секцией 3 механической зуб чатой передачей 1:1 и смонтирован на общем основании с ней. Управляющие импульсы на исполнительньй механизм поступают из блока 10 управления, который представляет собой генератор импульсов, имеющий режим однократного запуска и режим внешне синхронизации. Когда фазовая пластинка занимает первое фиксированное положение, линейнополяризованное излучение передатчика 1 (импульсное), пройдя без изменения поляризации антенньй переключатель 2 и вращающуюся секцию 3, излучается антенной 4 в направлении цели (дождя). Принятый антенной 4 эхо-сигнал, пройдя вращающзтося секцию круглого волновода и антенный переключатель 2, поступает на вход приемника 5. Амплитудная характеристика приемника при этом с помощью генератора 9 стандартных сигналов предварительно прокалибрована, т.е. по величине выходного сигнала можно определять мощность сигнала, поступающего на вход прием ника. С выхода приемника 5 сигнал поступает на вход блока 6 стробирсв ния, выполненного по ключевой схеме. Блок 6 стробирования пропускает на пиковый детектор 7 сигнал только С заданной дальности. Выбор дальности осуществляется оператором. С выхода пикового детектора 7 флуктуирующее напряжение, пропорциональное мощности принимаемого эхо-сигнала, поступает на интегра1тор 8, где происходит его усреднение. Таким образом, на выходе интегг ратора 8 напряжение пропорционально средней мощности эхо-сигнала при линейной поляризации излучения. Амплитудная калибровка, проведенная пpeдвapитeJJ ьнo, позволяет определить величину этой мощности. По величине средней принимаемой мощности эхо-сигнала, дальности до цели и потенциалу локатора в вычислителе определяется радиолокационная отражаемость Z. Когда фазовая пластинка занимает второе фиксированное положение, линейнополяризованное излучение передатчика 1, пройдя антенный переключатель 2, поступает на фазовую четвертьволновую пластинку и преобразуется в излучение, поляризованное по кругу. Эхо-сигнал, проходя приемный тракт локатора, претерпевает те же преобразования, что и сигнал при линейной поляризации излучения. По величине выходного сигнала устройств в вычислителе 12 определяется величина мощное-. ти эхо-сигнала при круговой поляризации излзгчения. После этого вращающаяся секция 3 кругового волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой возвращается в исходное положение. По величинам мощностей эхо-сигнала при круговой и линейной поляризациях излучения и величине радиолокационной отражаемости в вычислителе 3 определяется интенсивность дояздя. Сравнительный анализ пока:зал, что предлагаемые способ измерения интенсивности дождя и устройство для его реализации позволяет обеспечить более высокую точность измерений.

1. Способ измерения интенсивности дождя, основанньй на облучении дождя первым радиолокационным сигналом линейной поляризации, приеме отраженного от дождя сигнала той же поляризации, измерении отношения g мощности принятого сигнала к мощности собственных шумов приемника с последующим вычислением радиолокационной отражаемости дождя, облучении дождя вторым радиолокационным сигналом, приеме отраженного от дождя второго радиолокационного сигнала, измерении отношения g, мощности второго радиолокационного сигнала к мощности собственного шума приемприемника с последующим вычислением интенсивности дождя по измеренным значениям отношений g, g,, о т л и-. чающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, излучаемый и принимаемьй вторые радиолокационные сигналы имеют круговую поляризацию, а интенсивность доадя 3 определяют по формуле :,J J iSIlL z ,48/ где Z - радиолокационная отражаемость дождя. 2. Устройство измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробиррвания, пиковый детектор . интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен к второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен к второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены вращающаяся секция круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, вал которого соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волно па с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, причем выход антенного переключателя подключен к входу антенны через вращающуюся секцию круглого волновода со встроенной четвертьволновой пластинкой.