DE3852284T2

DE3852284T2 - Wetterradar mit Turbulenzdetektion.

Info

Publication number: DE3852284T2
Application number: DE3852284T
Authority: DE
Inventors: Steve D Neuharth; Greg H Piesinger
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: JP2759664B2; US4835536A; EP0321877B1; ES2065330T3; DE3852284D1; EP0321877A2; CA1316238C; JPH01203988A; EP0321877A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wetterradar mit Turbulenzdetektion, bei dem Bodenstörechos und Seestörechos zurückgewiesen werden. Im Stand der Technik werden in Wetterradargeräten mit Turbulenzdetektion Festkörpersender mit niedriger Ausgangsleistung (z. B. 20 Watt) verwendet. Diese Anlagen sind teuer, erzielen eine schlechte Bereichsauflösung und fordern lange Sendeimpulse (d. h. Impulsbreite). Eine andere Lösung unter Verwendung eines Magnetrons zur Turbulenzdetektion wurde im Stand der Technik wegen der schlechten Frequenzstabilität des Magnetrons abgelehnt.
US-A 4 649 388 beschreibt ein Wetterradar mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, welches Wetterstörungen relativ geringen Ausmaßes auf folgende Weise feststellt:
Aussenden wenigstens eines Dopplerradarstrahls in eine Streuzone und Abtasten des Strahls in Azimutrichtung;
Empfang von Echosignalen in wenigstens ersten und zweiten vertikal überlappenden Strahlen aus den Streuzonen und in jenen ersten und zweiten Strahlen unterteilt in eine Folge Abstandsintervallen, wobei die effektive 2-Weg-Differential-Strahlverstärkung der ersten und zweiten Strahlen eine erste Polarität bei allen Winkeln unterhalb eines vorgegebenen Nullpegels hat und eine zweite Polarität bei allen Winkeln oberhalb jenes Nullpegels aufweist und wobei dieser Nullpegel dem Elevationswinkel entspricht, bei dem die effektive 2-Wegverstärkung des ersten Strahls derjenigen des zweiten Strahls gleich ist und wobei die ersten und zweiten Polaritäten mathematisch selektiv verarbeitet werden, um erste und zweite Parameter zu erzeugen, welche den ersten und zweiten Polaritäten entsprechen;
Bestimmen der entsprechenden Dopplergeschwindigkeitsspektren aus den ersten und zweiten Strahlen aus der Folge von Abstandsintervallen;
Erzeugen eines zusammengesetzten Dopplerspektrums, welches eine mathematische Funktion der Dopplerspektren jener ersten und zweiten Strahlen ist und wobei das zusammengesetzte Spektrum die Dopplergeschwindigkeitsbereiche definiert, in denen die beiden Dopplerspektren sich im Sinne der ersten und zweiten Polaritäten unterscheiden; Bestimmen zweier Geschwindigkeitsgrenzen im Bereich des zusammengesetzten Dopplerspektrums, wobei dieses eine erste Polarität hat;
Erzeugen von Signalen, welche die erste der beiden Geschwindigkeitsgrenzen als Maß der Windgeschwindigkeit beim genannten Nullpegel identifiziert;
Erzeugen von Signalen, welche die zweite der beiden Geschwindigkeitsgrenzen als Maß der Windgeschwindigkeit bei einem Pegel zwischen der Höhe des Nullpegels und der Erdoberfläche definiert, wobei diese Windgeschwindigkeit als die Radialkomponente der bodennahen Windgeschwindigkeit definiert ist;
Messen der bodennahen Windgeschwindigkeiten in der Folge von Entfernungsintervallen;
selektives Bestimmen der Bereichsableitungen der bodennahen Windgeschwindigkeiten, der tangentialen Ableitungen der bodennahen Windgeschwindigkeiten, der Differenz zwischen den ersten und zweiten Geschwindigkeitsgrenzen, der Differenz zwischen den mittleren Reflexionseigenschaften in den ersten und zweiten Strahlen sowie Erzeugen entsprechender Ausgangssignale; und
Bereitstellen wenigstens einer Anzeige jener Ausgangssignale, um hierdurch eine Anzeige einer Wetterstörung in dem Überwachungsbereich anzuzeigen, insbesondere die Scherung von bodennahen Winden einschließlich horizontaler, vertikaler und tangentialer Scherung sowie der Grenzen, an denen jene Scherungen vorgegebene Grenzwerte überschreiten.
Im Wetter-Pulsradarsystem gemäß US-A 4 139 847 werden Bodenstörungen automatisch aus den Echosignalen des Wetterpulsradarsystems entfernt, um Signale zu liefern, deren Amplitude der mittleren Intensität des Wetterechos über eine Anzahl von Impulsen entspricht. Die im Empfänger empfangenen reflektierten Wellen werden linear detektiert, um Echosignale zu erzeugen. Jedes der aufeinanderfolgenden Echosignale wird mit einem späteren Echosignal verglichen, welches dem ersteren in einem vorgegebenen Zeitabstand folgt, während dessen Schwankungen des Wetterziels unabhängig werden, wodurch ein Wechselspannungssignal entsprechend der Schwankungen entsteht. Die Amplitudenänderung des abgeleiteten Signals ist der mittleren Leistung des Wetterechos proportional. Somit werden Bodenstörungen sowie die Gleichstromkomponente des Wetterechos eliminiert. Die Wechselstromkomponentensignale werden gleichgerichtet und nachfolgend einer Mittelwertbildung unterzogen. Die Mittelwertsignale haben eine Amplitude entsprechend der mittleren Intensität des Wetterechos.
Diese gemittelten Signale können logarithmisch konvertiert werden, um Signale zu erzeugen, wie in Wetterradarsystemen mit Radarempfangern, die eine logarithmische Kennlinie haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Wetterradargerät zu schaffen und ein Verfahren, welches weniger aufwenig ist als herkömmliche Wetterradaranlagen, jedoch eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit gewährleistet. Dies wird durch das im Anspruch 1 und den abhangigen Ansprüchen gekennzeichnete Radargerät sowie das im Anspruch 5 gekennzeichnete Verfahren erzielt.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen Hochleistungs-Magnetronsender (z. B. 1000 Watt), der etwa ein Zehntel der Kosten eines herkömmlichen Festkörpersenders niedriger Leistung erfordert. Die hohe Leistung verbessert die Weitbereichsleistung. Die Erfindung umfaßt einen Konstantstrommodulator, der mit einem digitalen Signalprozessor kombiniert ist, um eine Verarbeitung von Impulspaaren (PPP) zum Detektieren von Turbulenzen mit Hilfe eines Magnetrons zu ermöglichen. Die Erfindung kann darüber hinaus Bodenstörungen und Seestörungen unterdrücken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a zeigt einen einzelnen radial in 128 Entfernungsintervalle unterteilen Strahl unter Betonung des Entfernungsintervalls 55;
Fig. 1b zeigt vier übertragene Radiale (Sendeimpuls + Echo);
Fig. 1c zeigt empfangene Echosignale für das Entfernungsintervall 55;
Fig. 2 zeigt die Phasenbeziehungen zwischen den Echosignalen verschiedener Regentropfen;
Fig. 3a zeigt die Phasenbeziehung zwischen den Echosignalen verschiedener Regentropfen im Entfernungsintervall 55 bei der ersten Übertragung;
Fig. 3b zeigt die Phasenbeziehung zwischen Echosignalen verschiedener Regentropfen während einer zweiten Übertragung, wenn sich der Regen beruhigt hat;
Fig. 3c zeigt die Phasenbeziehung zwischen den Echosignalen von verschiedenen Regentropfen während einer zweiten Übertragung, wenn der Regen turbulent ist;
Fig. 4a zeigt die Amplituden der Echosignale für aufeinanderfolgende Übertragungen für das Entfernungsintervall 55;
Fig. 4b zeigt den Frequenzinhalt der abgetasteten Wellenform gemäß Fig. 4a;
Fig. 5a gibt die Autokorrelationsfunktion einer Wellenform wieder;
Fig. 5b illustriert die Autokorrelationsfunktion der ausgewerteten Wellenform;
die Fig. 6a und 6b zeigen die Beziehung zwischen dem Leistungsspektrum und der Autokorrelationsfunktion;
Fig. 7 zeigt ein Verfahren zur Auswertung der Autokorrelationsfunktion für ein abgetastetes Signal;
Fig. 8 gibt die Beziehung zwischen der Autokorrelationsfunktion bei ruhigem und turbulentem Regen sowie den Turbulenz-Schwellwert wieder;
Fig. 9 zeigt die Korrelationsfaktoren und die erforderliche Frequenzstabilität, um die Korrelation der übertragenen Impulse aufrechtzuerhalten;
Fig. 10 zeigt die Kennlinien des Magnetrons sowie die erforderliche Regelung, um eine Frequenzstabilität innerhalb von 10kHz aufrechtzuerhalten;
Fig. 11 zeigt schematisch das Schaltbild eines Stromregelmodulators; und
Fig. 12 ist das Schaltbild eines Wetterradarsystems mit Turbulenzdetektion.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Bei einem Radarsystem wird ein kurzer HF-Impuls abgestrahlt und auf das zurückkommende Echosignal gewartet. Die Zielentfernung wird bestimmt durch die Zeitverzögerung zwischen dem Sendeimpuls und dem Echoempfang. Die Reflektivität des Ziels ergibt sich aus der Amplitude des Echosignals. Jeder Impuls und sein Echo bilden ein Radar-Radial. Diese Radiale werden üblicherweise mit einer Impulswiederholungsfrequenz PRF von 180 bis 1600 Hz abgestrahlt.
Fig. 1a zeigt ein in 128 Entfernungsintervalle unterteiltes Radial. Das zurückkommende Echo 130 ist in Segmente unterteilt, welche als Entfernungsintervalle 1 bis 128 bezeichnet sind. Jedes Entfernungsintervall wird in der gleichen Weise verarbeitet wie jedes andere Entfernungsintervall. Als Beispiel wird die Verarbeitung des Entfernungsintervalls 55 beschrieben. Fig. 1b zeigt vier Radiale 130 sowie die Position des Entfernungsintervalls 55 in jedem empfangenen Echo des Sendeimpulses 132. Fig. 1c gibt die wahrscheinlichen Echoamplituden Z&sub1;-Z&sub2; für das Entfernungsintervall 55 wieder. Ts ist die Dauer zwischen den Sendeimpulsen.
Fig. 2 zeigt teilweise ein Radial 130, welches sich aus den von einigen Millionen einzelner Regeltropfen 136 einer Wolke 138 zurückkommenden Echos zusammensetzt. Fig. 2 gibt die Phasenbeziehungen zwischen den Echosignalen von drei speziellen Regentropfen 136 wieder, indem sie den Weg der übertragenen Elementarwellen 140 und ihrer Rückkehr von jedem der Regentropfen 136 darstellt. Die Phase jeder zurückkehrenden Elementarwelle 142 hängt vom Abstand (gemessen in Wellenlängen) zwischen der Flugzeugantenne 134 und dem Regentropfen 136 ab.
Jede der Elementarwellen 142 addiert sich vektoriell in der Antenne 134, um die Amplitude und Phase für das Signal 144 im Entfernungsintervall 55 zu erzeugen. Diese Vektorsumme 144 ist in Fig. 3a für sieben Elementarwellen 142 wiedergegeben. Das resultierende Signal 144 hat für das erste Radial 130 eine Amplitude Z&sub1; und eine Phase R&sub1;.
Ist der Regen ruhig und die Pulswiederholungsfrequenz PRF hoch, so bewegen sich die einzelnen Regentropfen 136 zwischen den Radialen 130 kaum. Wenn ihre Positionsänderung klein ist, wird auch die Phasenänderung jeder Elementarwelle 142 klein sein. Dies ist in Fig. 3b für das zweite Radial 130 unter ruhigen Bedingungen wiedergegeben. Die Phase R&sub2; und die Amplitude Z&sub2; der Vektorsumme 146 sind fast gleich derjenigen der Vektorsumme 144.
Ist der Regen hingegen turbulent, so ist die Positionsänderung jedes Regentropfens 136 beträchtlich. Dies ändert die Phase jeder der Echoelementarwellen 142, was eine Vektorsumme 148 ergibt, deren Amplitude Z&sub3; und Phase R&sub3; von derjenigen der Vektorsumme 144 stark verschieden sind.
Die Fig. 3a, 3b und 3c zusammengenommen veranschaulichen die grundlegenden physikalischen Verhaltnisse für die Turbulenzdetektion. Um eine Turbulenz festzustellen, ist es nur notwendig, die Differenz entweder zwischen der Amplitude oder der Phase (oder beiden) jedes Echos von zwei aufeinanderfolgenden Radialen 130 zu messen. Ist die Differenz klein, so ist der Regen ruhig. Ist die Differenz groß, so ist der Regen turbulent. Radarechos von fallendem Regen können dazu benutzt werden, um die Verteilung von Windgeschwindigkeiten innerhalb eines Sturmes abzuschätzen. Die vorliegende Erfindung mißt die Amplitudendifferenz der Echos.
Diese Methode der Turbulenzdetektion ist nur gültig, wenn die Frequenz der ausgesandten Impulse für jedes Paar von Radialen 130 die gleiche ist. Ändert sich die ausgesandte Frequenz, so ändert sich auch (in Wellenlängen gemessen) der Abstand zwischen der Antenne 134 und den Regentropfen 136, selbst wenn sich die Regentropfen 136 selbst nicht bewegen. Auf diese Weise würde die Phasenlage jeder Elementarwelle 142 geändert werden und damit würde auch die Vektorsumme 146 oder 148 eine unterschiedliche Amplitude und Phase im Vergleich zur Vektorsumme 144 haben. Dies würde dazuführen, daß ruhiger Regen turbulent erscheint und somit die Turbulenzdetektionsfähigkeit der vorliegenden Methode beeinträchtigen.
Die Fig. 3a bis 3c veranschaulichen darüber hinaus, daß die empfangene Phasenlage jedes Radials nicht wichtig ist, wenn nur die Amplituden Z&sub1; und Z&sub2; oder Z&sub3; verarbeitet werden. Wäre die Empfangsphasenlage des zweiten Radials 130 unterschiedlich im Vergleich zum ersten Radial 130, so wäre die Phase R&sub2; der Vektorsumme 146 anders als die Phase R&sub1; der Vektorsumme 144. Die Amplituden Z&sub1; und Z&sub2; wären jedoch gleich. Da die vorliegende Erfindung nur die Amplituden Z&sub1; und Z&sub2; oder Z&sub3; verarbeitet, stellen die Phasenbeziehungen keinen wesentlichen Faktor dar. Dies ist wichtig, weil die Phasenlage von einem Magnetron erzeugter Impulse 132 zufällig ist.
Insgesamt hängt die Erfindung davon ab, daß Turbulenzen sowohl die Amplitude als auch die Phase der Vektorsumme 148 gegenüber den entsprechenden Werten der Vektorsumme 144 verändern. Somit kann eine Turbulenz dadurch festgestellt werden, daß man die Amplitudenschwankungen zwischen benachbarten Radialen mißt. Da es dabei nicht notwendig ist, die Phasenänderungen zu messen, braucht man auch die Phasenlage des Senders nicht zu steuern. Folglich genügt es, das Übertragungsspektrum eines Magnetrons zwischen aufeinanderfolgenden Radialen 130 zu steuern, um eine Turbulenzdetektion mit einem Magnetronsender zu ermöglichen.
Die Impulspaar-Verarbeitung PPP erfolgt in einem digitalen Signalprozessor, welcher die Amplitudenschwankungen zwischen aufeinanderfolgenden Radialen mißt und hierdurch Turbulenzen feststellt. Die Fig. 4 bis 8 zeigen die Arbeitsweise der Pulspaarverarbeitung. Fig. 4 gibt die Echosignale aus dem Entfernungsintervall 55 für 56 Radiale 130 wieder. Da nur ein Echosignal 150 für jedes Radial 130 entsteht, kann man effektiv die unterlegte gleichförmige Amplitudenänderung 152 des Entfernungsintervalls 55 abtasten. Die Änderung 152 ergäbe sich, wenn das Entfernungsintervall 55 mit einem Dauerstrichradar CW anstelle eines Impulsradars bestrahlt würde.
Fig. 4b zeigt den Frequenzinhalt, der sich aus der Wellenform gemäß Fig. 4a ergibt. Große Amplitudenänderungen (turbulenter Regen) ergeben ein breites Spektrum 154, während kleine Amplitudenänderungen (stiller Regen) eine geringe Spektrumbreite 154 zur Folge haben. Da die Wellenform 152 abgetastet wird, wird das Spektrum mit einer Abtastfrequenz ws wiederholt. Um Frequenzmehrdeutigkeiten zu vermeiden, muß die Abtastrate PRF größer als die Spektrumbreite 154 sein. Man verwendet eine Abtastrate zwischen 1400 und 1600 Hz.
Eine wirksame Methode zur Messung der Spektrumbreite 154 der abgetasteten Kurvenform ergibt sich mit der Pulspaarverarbeitung PPP. Sie mißt nicht direkt die Spektrumbreite 154, sondern die Autokorrelationsfunktion, welche zur Spektrumbreite 154 in Beziehung steht. Die Fig. 5a und 5b zeigen wie man eine Autokorrelationsfunktion mißt. Wird eine gleichförmige Kurvenform 152 um einen Verzögerungsbetrag τ verzögert und mit seiner unverzögerten Version multipliziert und anschließend die Ergebnisse akkumuliert, so ergibt sich die Funktion R(τ) 156. Der Maximalwert wird bei einer Verzögerung Null erreicht und ist einfach ein Maß für die Leistung der Kurvenform 152. Bei großen Verzögerungen sind die Kurvenformen 152 total unkorreliert, so daß die Funktion R(τ) 156 sich dem Wert Null nähert.
Die Fig. 6a und 6b zeigen die Beziehung zwischen der Spektrumbreite 154 und der Autokorrelations-Kurvenform 156. Ein schmales Spektrum 154 ergibt eine sich langsam ändernde Kurvenform 156, wie dies Fig. 6a zeigt. Folglich ist eine große Verzögerung τ erforderlich, ehe die Kurvenform 152 unkorreliert wird, d. h. die Autokorrelationskurvenform 156 ist breit. Ein breites Spektrum 154 jedoch ergibt eine sich schnell ändernde Kurvenform 156, wie dies Fig. 6b zeigt. Man braucht nur eine kleine Verzögerung, um die Kurvenform 152 unkorreliert werden zu lassen, so daß hier die Autokorrelation schmal ist. Mit anderen Worten ist die spektrale Dichte ω die Fourier- Transformation der Autokorrelationsfunktion (T). Eine schmale spektrale Dichte führt zu einer breiten Autokorrelation und eine breite spektrale Dichte hat eine schmale Autokorrelation zur Folge. Dies bedeutet, daß die für eine effektive Erkennung erforderliche Spreizung in dem Maße zunimmt, wie die spektrale Breite zunimmt.
Fig. 7 gibt die Realisierung der Pulspaarverarbeitung (PPP) wieder. Statt die gesamte Autokorrelationsfunktion zu messen, ermöglicht die Pulspaarverarbeitung; die Autokorrelationsfunktion der Echos 150 nur bei einer Verzögerung T von Null und bei einer Verzögerung τ eines Radials 130 zu messen. Fig. 8 veranschaulicht, wie die Autokorrelationswerte 158 und 160 für ruhigen bzw. turbulenten Regen in Beziehung stehen. Der Autokorrelationswert 162 bei Null wird zur Normierung der Werte benutzt. Ist der Regen ruhig, liegt die Autokorrelation bei einer Verzögerung τ eines Radials 130 dicht bei Eins. Ist der Regen hingegen turbulent, so liegt der Wert dicht bei Null. Durch Einstellen eines Schwellwertes 164 zwischen Null und Eins können unterschiedliche Turbulenzgrade detektiert werden.
Hubschrauber benutzen Radar, um Ölplattformen bei hoher See festzustellen. In diesem Anwendungsfall haben die Radarechos, welche von der See zurückgeworfen werden, große Amplitudenänderungen, während die Echos von der Ölplattform dies nicht zeigen. Dies ist eine Folge der Bewegung des Meerwassers zwischen den Radialen und des Fehlens einer solchen Bewegung hinsichtlich der Ölplattform. Der vorliegende Turbulenzdetektor kann zum Erkennen von Ölplattformen und zur Zurückweisung von Störechos der umgebenden See dadurch verwendbar gemacht werden, daß man den Schwellwert in Fig. 8 auf einen geeigneten Wert 164 festlegt. Liegt der Autokorrelationswert 170 eines Entfernungsintervalls in den Fig. 8 und 9 oberhalb des Schwellwertes 164, so wird er als Ölplattform angezeigt. Fällt jedoch der Wert 170 unter den Schwellwert 164, so wird er als Seeecho zurückgewiesen. Mit der gleichen Maßnahme kann man Bodenstörechos unterdrücken. Bei der Bodenechounterdrückung werden Entfernungsintervalle mit einem Autokorrelationswert 170 oberhalb des Schwellwertes 164 als sich nicht ändernde Bodenziele, also Festziele angesehen und von der Anzeige ausgeschlossen. Entfernungsintervalle mit einem Autokorrelationswert 170 unterhalb des Schwellwerts 164 werden als sich verändernde Wetterziele angesehen und angezeigt.
Sender mit Magnetron wurden bisher als zu unstabile Frequenzquellen für die hier beschriebenen Systeme angesehen. Das Magnetron ist kein Verstärker, sondern ein Oszillator, der auf einer durch die Geometrie der Anordnung, die Temperatur, die Belastung und den Eingangsstrom bestimmten Frequenz schwingt. Temperatur und Belastung ändern sich während des Betriebs jedoch nur langzeitig. Der Strom jedoch kann sich plötzlich ändern und die Schwingungsfrequenz beeinflussen. Die maßgebende Kenngröße, das Stromverstimmungsmaß ist beim Magnetron die Spezifikation, welche den Strom durch die Röhre in Beziehung zur Ausgangsfrequenz setzt. Durch Verwenden eines mit konstantem Strom beaufschlagten Modulators, welcher den Verstimmungseffekt (Δf/ΔI), der die Verstimmungswirkung (Δf/ΔI) des Magnetrons impulsweise minimiert, in Verbindung mit einer durch digitale Pulspaarverarbietung erzeugten Autokorrelation ergibt ein Hochleistungs-Turbulenzdetektionssystem von geringem Aufwand.
Das beschriebene Turbulenz-Detektionsverfahren nutzt die Korrelation oder Ähnlichkeit aufeinanderfolgender Radarechos 150. Der Betrag der Korrelation (Wert 170), welcher unterschieden werden muß, beträgt 88%, was der Schwellwert zwischen Bodenstörechos und nicht turbulentem Wetter ist, wie dies Fig. 9 zeigt. Aus dieser Anforderung wurde eine minimale zulässige Korrelation von 99% zwischen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen angenommen. Dies entspricht einer maximalen Frequenzverschiebung von 10kHz zwischen den Impulsen.
Der Stromverstimmungsfaktor wird zur Festlegung der Anforderungen an die Modulatorschaltung benutzt. Das in diesem System benutzte Magnetron hat einen Stromverstimmungsfaktor von 1 MHz/A. Um die Frequenzverschiebung unter 10kHz zu halten, muß der Strom folglich innerhalb von 10mA geregelt werden. Fig. 10 zeigt die Kennlinie des Magnetrons. Im Arbeitspunkt ist die differentielle Leitfähigkeit relativ hoch, und eine kleine Spannungsänderung ergibt eine große Stromänderung. Bei Verwendung einer Spannungsregelung wie in bisherigen Radargeräten muß die Magnetronspannung innerhalb 0,08% geregelt werden, was sehr schwierig zu erreichen ist. Der Strom hingegen braucht jedoch nur eine Regelung von 0,5%, was wesentlich leichter erreichbar ist. Diese Regelung ist nur notwendig auf einer Basis von Impuls zu Impuls sowie innerhalb der Impulse. Eine konstante Verschiebung von 100mA wurde beispielsweise nur eine konstante Frequenzverschiebung bedeuten und für das System unschädlich sein.
Fig. 11 veranschaulicht einen Konstantstrommodulator 173. Der Stromregler 174 befindet sich unterhalb des Speicherkondensators 166 und kompensiert nicht nur die Gleichspannungsregelung, sondern auch den Spannungsabfall am Kondensator 176 während eines Sendeentladungsimpulses von 2 A. Diese Kompensation verlangt ein Energiespeichervolumen, welches nur 3% des notwendigen Volumens beträgt, falls keine Stromregelung verwendet wird.
Der Sender 172 ist, wie in Fig. 11 gezeigt, aufgebaut. Eine Rücklaufspannungsversorgung 202 lädt den Speicherkondensator (C1) 176 über die Dioden (D1) 204 und (D2) 206 auf 2300V auf. Die Diode 204 dient der Gleichrichtung, und die Diode 206 bildet einen Rückstromweg um die Stromquelle (CS1) 174. Sendeimpulse werden erzeugt, sobald ein Impulseingangssignal aus einem Impulswiederholungsfrequenz-Taktgeber 210 den Hochspannungsschalter (S1) 208 schließt. Der Kondensator 176 entlädt sich dann über den Schalter 208, das Magnetron 178 sowie die Stromquelle 174 und erzeugt einen 200V-Impuls am Magnetron 178 und zwar für die Dauer des Impulseingangssignals.
Die Erfindung wird, wie in Fig. 12, wiedergegeben eingesetzt. Das Magnetron 178 wird unter Verwendung des Konstantstrommodulators 173 gezündet. Der erzeugte HF-Impuls durchläuft den Zirkulator 180 und wird von der Antenne 182 abgestrahlt. Das empfangene Radarecho wird vom Zirkulator 180 zum Radarempfänger 184 geleitet, wo es verstärkt, gefiltert und detektiert wird. Das detektierte Videosignal gelangt zum Intensitätsprozessor 186 und zum Turbulenzprozessor 190. Das Ausgangssignal jedes Prozessors wird in einem Wetterbus-Formatierer 188 kombiniert und der Radaranzeige 192 zugeführt.
Der Turbulenzprozessor 190 empfängt das detektierte Videosignal und digitalisiert es mit Hilfe des A/D-Umformers 194 in Entfernungsintervalle. Ein Entfernungsintervall-Taktgeber 198 ist an den A/D-Umsetzer 194 angeschlossen. Das digitalisierte Videosignal wird im Speicher 196 für die Weiterverarbeitung im digitalen Signalprozessor (DSP) 200 gespeichert. Der DSP 200 ist ein integrierter Schaltkreis vom Typ Texas Instruments TMS32010, welcher die in den Fig. 7 und 8 dargestellten Berechnungen ausführt. Deren Ergebnis wird für jedes Entfernungsintervall im Wetterbusformatierer Schaltkreis 188 zugeführt. Dieser Schaltkreis kombiniert, wie dies dem Fachmann bekannt ist, die Turbulenzinformation mit der Intensitätsinformation und sendet diese an die Radaranzeige 192.

Claims

1. Turbulenz-Detektor mit:

a) einer Antenne (182) zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen;

b) einem an die Antenne (182) angeschlossenen Sender (172) im Aussenden elektromagnetischer Wellenimpulse;

c) einem an die Antenne angeschlossenen Empfänger (184), um in mehreren Entfernungsintervallen Daten in den elektromagnetischen Wellen festzustellen;

d) einer an den Empfänger angeschlossenen Verarbeitungseinrichtung (190) zum Verarbeiten der Daten zu Turbulenz- oder Störzeicheninformation, wobei die Verarbeitungseinrichtung umfaßt:

d1) einen an den Empfänger (184) angeschlossenen A/D-Umsetzer (194);

d2) einen an den A/D-Umsetzer (194) angeschlossenen Taktgeber (198); und

e) einer an den Empfänger (184) sowie die Datenverarbeitungseinrichtung (190) angeschlossenen Anzeigevorrichtung (192) für die Anzeige der Informationen; dadurch gekennzeichnet, daß

f) der Sender (172) ein bei konstanter Frequenz betriebenes Magnetron (178) sowie einen an das Magnetron (178) angeschlossenen Konstantstrommodulator (173) aufweist;

g) ein Speicher (196) an den A/D-Umsetzer (194) angeschlossen ist;

h) ein digitaler Signalprozessor (200) an den Speicher (196) sowie an die Anzeigevorrichtung (192) angeschlossen ist; und dabei umfaßt

h1) Mittel zur Messung von Amplitudenänderungen zwischen aufeinanderfolgenden Daten sowie zum Umsetzen der Änderungen in Turbulenz- oder Störsignalinformationen;

h2) Mittel zum Einstellen eines Schwellwertes zwischen 0 und 1 für die Detektion verschiedener Turbulenzgrade;

h3) Mittel zur Impulspaar-Verarbeitung, die eine Autokorrelation der Amplituden jedes Entfernungsbereichs auf einer Puls-zu-Puls-Basis sowie einen Vergleich der ermittelten Autokorrelationswerte mit dem Schwellwert einschließt, wobei die Amplitudenänderungen Informationen über den Grad der Turbulenz darstellt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstrommodulator (173) umfaßt:

a) einen an das Magnetron (178) angeschlossenen ersten Verbindungspunkt;

b) einen an das Magnetron (178) angeschlossenen zweiten Verbindungspunkt;

c) eine an den zweiten Verbindungspunkt angeschlossene Konstantstromquelle (174);

d) einen an die Konstantstromquelle (174) sowie den ersten Verbindungspunkt angeschlossenen Kondensator (176);

e) eine an den zweiten Verbindungspunkt und den ersten Verbindungspunkt angeschlossene Rücklauf-Stromversorgungsquelle (202);

f) eine an die Rücklauf-Stromversorgungsquelle (202) und den ersten Verbindungspunkt angeschlossene erste Diode (204); und

g) eine an die Konstantstromquelle (174) und den Kondensator (176) sowie an den zweiten Verbindungspunkt angeschlossene zweite Diode (206).

3. Detektor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

a) einen zwischen den ersten Verbindungspunkt und das Magnetron (178) eingeschalteten Hochspannungsschalter (208);

b) einen an den Hochspannungsschalter (208) angeschlossenen Taktgeber (210) für die Pulswiederholungsfrequenz; und

c) einen zwischen das Magnetron (178) und die Antenne (182) sowie zwischen den Empfänger (184) und die Antenne (182) eingeschalteten Umlaufschalter (180).

4. Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

a) einen an den Empfänger (184) angeschlossenen Intensitätsprozessor (186); sowie

b) einen an den Intensitätsprozessor (186), den digitalen Signalprozessor (200) sowie die Anzeigevorrichtung (192) angeschlossenen Wetter-Busformatgeber (188).

5. Verfahren zum Feststellen von Turbulenzen mit folgenden Schritten:

a) Aussenden einer Folge von elektromagnetischen Wellenimpulsen;

b) Empfangen der Echos jener ausgesandten Folge elektromagnetischer Wellenimpulse;

c) Verarbeiten der Echos, um Turbulenzen festzustellen; gekennzeichnet durch

d) Aussenden der Impulse mit einer konstanten Frequenz durch ein Magnetron und Aufrechterhalten der konstanten Frequenz mit Hilfe eines konstanten Stroms in das Magnetron; wobei

e) die Impulspaar-Verarbeitung umfaßt:

e1) Messen der Amplituden jener Echos, wobei jedes Echo eine Vektorsumme aus mehreren Elementarwellen ist, die von mehreren Partikeln reflektiert werden, auf welche ein ausgesandter elektromagnetischer Wellenimpuls auftrifft;

e2) Vergleichen der gemessenen Amplituden jener Echos aufeinanderfolgender Sendeimpulse;

e3) Feststellen von Variationen der gemessenen Amplituden als Anzeichen für Turbulenzen;

e4) Einstellen eines Schwellwertes zwischen 0 und 1 für das Detektieren verschiedener Turbulenzgrade;

e5) Einstellen des Schwellwertes derart, daß See- oder Boden-Störsignale unterdrückt werden;

e6) Feststellen, ob ein Autokorrelationswert eines Entfernungsintervalls unterhalb oder oberhalb des Schwellwerts liegt, wobei jedes Echo ein in mehrere Entfernungsintervalle oder Segmente unterteiltes Radial bildet; und

e7) Korrelieren der Echoamplituden der Entfernungsintervalle.