DE69217925T2 - Mikrostossvorlaufsdetektor unter verwendung von mikrowellenradar - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Vorhersagen von Wetterstörungen und im besonderen das Vorhersagen von Wetterstörungen, die Mikrostoß-Windscherungs- Zustände (nachstehend Mikroburst-Windscherung) in niedrigen Höhen über der Erdoberfläche verursachen, die für Flugzeuge während des Starts und der Landung gefährlich sind.
2. Beschreibung des Stands der Technik
• Die Mikroburst-Windscherung ist ein Wetterzustand, der das gleichzeitige Auftreten wesentlich unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten und -richtungen in niedrigen Höhen über einen relativ kleinen Bereich bezeichnet. Eine Mikroburst- Windscherung dauert im typischen Fall 5 bis 15 Minuten, tritt über ein relativ kleines Gebiet auf und ist während Flugzeugstarts und -landungen extrem gefährlich. In der Regel weisen Systeme des Stands der Technik Mikroburst-Windscherung in Bodenhöhe nach dem anfänglichen Auftreten nach. Bei vielen Landungs- oder Startsituationen bieten diese Systeme keine ausreichende Warnungszeit, um zu erlauben, daß startende und landende Flugzeuge einem Windscherungsgebiet ausweichen, weil sie das Gefahrensignal nach dem Beginn des Windscherungszustands geliefert haben.
• Ein Verfahren des Stands der Technik zum Nachweisen von Oberflächenwindscherungs-Zuständen verwendet Bodenbeobachtungen der Windrichtung und -stärke unter Verwendung von mechanischen Windsensoren an einer Mehrzahl von Positionen um einen Flughafen. Es ist jedoch erwiesen worden, daß dieses System unzulänglich ist, da sich an Flughäfen, wo solche Systeme verwendet worden sind, auf Grund des zu späten oder verfehlten Nachweises der Windscherungszustände ernsthafte Unfälle ereignet haben. Ein zweites Verfahren verwendet bodengestützen Radar. Bodengestützte Wetter-erfassende Radare haben im typischen Fall schmale Antennenstrahlen, um die Nachweisbarkeit feuchter Luft zu erhöhen und um eine hohe Winkelauflösung zu liefern.
• Ein Terminal-Doppler-Wetterradar, der zur Zeit in der Entwicklung ist, soll von einer Position etwa 20 km vom Flughafen aus Oberflächen-Mikroburst-Windscherung an einem Flughafen während ihrer Entstehung nachweisen. Aus geometrischen Erwägungen ist seine Doppler-Messfähigkeit auf das Nachweisen der horizontalen Bewegung von Hydrometern (Regentropfen) oberhalb der Erdoberfläche beschränkt. Er mißt die Windscherung, wenn es eine genügende Anzahl mitgerissener Regentropfen gibt, um ein nachweisbares Radarecho zu liefern. Er kann auch die horizontale Bewegung feuchtigkeitsbeladener Winde in größerer Höhe messen, die unter gewissen Wetterverhältnissen ein indirektes Indiz für das Vorhandensein von Oberflächen-Mikroburst-Windscherungs-Vorboten liefert. Die Wahrscheinlichkeit des Mikroburst-Vorboten-Nachweises auf diese Art und Weise ist nicht hoch, und die Fehlalarmrate auf der Grundlage nur dieser Messungen wird wahrscheinlich unannehmbar hoch sein.
• Andere Verfahren aus dem Stands der Technik verwenden bordseitige Vorrichtungen zur Erfassung der Flugzeugbodengeschwindigkeit und zum Vergleich dieser Bodengeschwindigkeit mit der Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs. Die Differenz der Geschwindigkeiten und die durch Trägheits-Erfasser bestimmte vertikale Flugzeugbeschleunigung liefern einen Hinweis auf die Windverhältnisse um das Flugzeug. Solche Systeme liefern keine rechtzeitigen Hinweise auf die Windverhältnisse vor dem Flugzeug und liefern insbesondere keine Vorwarnung vor Mikroburst- Windscherung vor dem Flugzeug. Andere bordseitige Windscherungs- Detektoren des Stands der Technik liefern einen verbesserten Windscherungsnachweis unter Verwendung von Daten, die durch die bordseitigen Vertikalbeschleunigungsmesser, durch den Anzeiger für die wahre Luftgeschwindigkeit, durch den Nickwinkelanzeiger und durch den Anstellwinkelanzeiger geliefert werden, um die Änderungsgeschwindigkeit des vertikalen Windes zu bestimmen und somit einen anderen Windscherungsindikator zu liefern.
• In den US-Patenten 4 649 388 (Re. 33 152) und 4 712 108 sind Systeme beschrieben, die mittels bodengestützter Geräte einen verbesserten Oberflächen-Mikroburst-Windscherungsnachweis liefern. Die im erstgenannten Patent offenbarte Erfindung verwendet ein Dopplerradar-System mit mindestens zwei vertikal aufeinandergeordnete Radarstrahlen, das das Oberflächen- Windgeschwindigkeits-Dopplerspektrum feuchtigkeitsbeladener Luft in jedem vertikal aufeinandergeordneten Radarstrahl schätzt. Wenn die horizontale Windgeschwindigkeit mit der Höhe monoton zunimmt (oder abnimmt), sind die Spektralkomponenten der Windgeschwindigkeit unterhalb (oberhalb) des Punktes, wo die zwei Spektren gleich sind, mit Windgeschwindigkeiten assoziiert, die unterhalb (oberhalb) des Elevationswinkels auftreten, wo sich der Übergang der zwei aufeinandergeordneten Strahlenabtastbereiche befindet. Diese Windgeschwindigkeits-Spektralkomponenten liefern einen Schätzwert der aus horizontaler Windscherung resultierenden radialen Dopplergeschwindigkeit in Abhängigkeit von Entfernung und Azimut, wodurch der Nachweis der Windscherungs-Position und ihrer Größe erlaubt wird. Die Erfindung des letztgenannten Patents liefert den Oberflächen-Mikroburst- Windscherungsnachweis durch die Verarbeitung von horizontalen Dopplerradarecho-Signalen feuchtigkeitsbeladener Luft, nachdem die Windscherung aufgetreten ist. Durch die Verfolgung des Mikroburst-Windscherungszentrums hinsichtlich der Entfernung und des Azimuts in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt das System die horizontale Bewegung des Mikroburst-Windscherungs-Schwerpunktes, wodurch die Mikroburst-Windscherungs-Position während ihrer kurzen Lebensdauer vorhergesagt wird.
• Obwohl diese Systeme die zukünftige Position von Oberflächen-Mikroburst-Windscherung durch die Verfolgung eines Mikrobursts nach seinem anfänglichen Auftreten vorhersagen können, haben sie nicht die Fähigkeit, das anfängliche Auftreten der Mikroburst-Windscherung vorherzusagen. Das Vorhersagen der zukünftigen Position eines Mikrobursts nach seinem Auftreten liefert keine Warnung vor Windscherungszuständen an einen Flughafen an der anfänglichen Mikroburst-Windscherungs-Position. Eine andere Beschränkung solcher Dopplerradar-Sensoren ist ihre Unfähigkeit, Oberflächen-Mikroburst-Windscherung bei einem sehr geringen mitgerissenen Feuchtigkeitsgehalt nachzuweisen - ein Phänomen, das im westlichen Teil der Vereinigten Staaten sehr oft vorkommt.
• Benötigt wird daher ein System, das die Position einer anfänglichen Oberflächen-Mikroburst-Windscherung mit einer ausreichenden Vorlaufzeit zuverlässig vorhersagt, um ein Flugzeug, das im Begriff ist zu landen, sicher umzuleiten oder um eine solche Landung und solche Starts von Flugzeugen an jener Position zu verzögern und das diese Funktion auch erfüllen wird, wenn im mitgerissenen Windscherungsluftstrom wenig Feuchtigkeit ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, durch die Bestimmung eines vertikalen Abwindes mit einem Durchmesser von 1-3 km, der dem Auftreten von Oberflächenwindscherung 5 bis 15 Minuten vorausgeht, eine ausreichende Frühwarnung vor einer Oberflächen-Mikroburst-Windscherung zu liefern. Der vertikale Abwind fächert sich horizontal nach allen Richtungen aus, wenn er den Boden erreicht, wodurch eine kreisförmige oder eine elliptische Mikroburst-Windscherung erzeugt wird. Diese Aufgabe wird erfüllt, indem der vertikale Abwind während seines Abstiegs nachgewiesen wird, bevor er die Bodenhöhe erreicht und eine horizontale Windscherung erzeugt. Die Bestimmung des vertikalen Abwindes wird bewerkstelligt, indem vier Wetterparameter aus empfangenen Signalen eines abtastenden Einstrahl- oder eines vertikal aufeinandergeordneten Mehrstrahl-Mikrowellen-Dopplerradar-Systems gewonnen werden, das eine vorgewählte Höhenzone über eine vorherbestimmte Distanz um einen Flughafen herum anstrahlt. Die Anzahl der Strahlen des Dopplerradar-Systems und deren Strahlenbreiten sind so bemessen, daß eine Abdeckung über die vorgewählte Hohenzone in einem vorherbestimmten Bereich um den Flughafen in einer Weise geliefert wird, die eine vertikale oder horizontale Grenze für jede Entfernungs-Zelle des Dopplerradar-Systems bei allen Schrägentfernungen festlegt, die kleiner sind als eine vorherbestimmte Distanz. Diese horizontale Grenze wird so gewählt, daß sichergestellt wird, daß eine vertikale Abwindsäule den Strahl vollständig ausfüllt, während die vertikale Grenze die Wirkungen von Windgeschwindigkeits- Gradienten innerhalb einer Entfernungs-Zelle einschränkt. Die gewonnenen Dopplersignalwetterparameter werden verwendet, um die vertikale Geschwindigkeit, horizontale Geschwindigkeit und räumliche Position von Hydrometern (Niederschlag) zu ermitteln. Diese Geschwindigkeits-Schätzwerte basieren auf der Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit, der Spektralbreite und der Asymmetrie des Niederschlags-Dopplergeschwindigkeitsspektrums in jeder Entfernung-Azimut-Zelle, dem Radar-bestimmten Niederschlags- Reflexionsvermögen in jeder Entfernung-Azimut-Zelle, von der das Radarsignal zurückgesandt wird, der Azimutalrichtung des Strahls sowie dem Radarstrahl-Elevationswinkel und der Strahlenbreite. Meteorologische Kennzeichen Sturm-erzeugter Mikroburst-Vorboten sind: eine vertikale Abwindgeschwindigkeit von mindestens fünf Metern pro Sekunde, eine vertikale Abwindsäule mit einem Durchmesser zwischen 1,5 und 3,0 Kilometern und eine Zunahme des Niederschlags-Reflexionsvermögens innerhalb des vertikalen Abwindes von 0-20 dB gegenüber dem der umliegenden Bereiche. Alle dieser Kriterien werden verwendet, um zu bestätigen, daß ein Mikroburst-erzeugender Abwind eingeleitet worden ist.
• Das empfangene Dopplergeschwindigkeits-Spektrum ist das Ergebnis der Kombinierung der Dopplerradar-bestimmten radialen Komponente der vertikalen Regentropfengeschwindigkeit, die eine Funktion des Sinus des Elevationswinkels ist, mit der radialen Komponente der horizontalen Regentropfengeschwindigkeit, die eine Funktion des Kosinus des Elevationswinkels ist, und zwar über eine relativ breite vertikale Antennenstrahlenbreite. Das resultierende Geschwindigkeits-Spektrum ist für jede Kombination von durchschnittlicher vertikaler und durchschnittlicher horizontaler Hydrometergeschwindigkeit innerhalb jeder Entfernung- Azimut-Zelle eindeutig. Die gemessenen Dopplerspektrumparameter in jeder Entfernung-Azimut-Zelle in jedem Strahl innerhalb des angestrahlten Höhenbereichs werden auf aufeinanderfolgenden Radarabtastungen gespeichert, um eine vierdimensionale Parameter- Abbildung zu erstellen. Zu den Dopplerspektralparametern gehören mittlere Dopplergeschwindigkeit, Dopplerspektrumbreite, Dopplerspektrum-Asymmetrie und gesamte Spektralleistung im Radarecho. Diese gemessenen Parameter von Hydrometern, die von einem Mikroburst umgeben sind, liefern die grundlegenden Informationen, an Hand derer die vertikale und die horizontale Geschwindigkeit eines Mikroburst-Vorboten geschätzt werden können. Wenn an Hand dieser Abbildungen ermittelt wird, daß eine vertikale Windsäule zwischen 1,5 und 3,0 Kilometern nachgewiesen worden ist, die eine vertikale Windgeschwindigkeit hat, die fünf Meter pro Sekunde übersteigt, und die ein Niederschlags- Reflexionsvermögen aufweist, das 0-20 dB über dem der umliegenden Gebieten liegt, wird eine Mikroburst-Warnung erzeugt. Da die Zeit, bis der vertikale Abwind bis zur Erdoberfläche absteigt, in der Größenordnung von fünf Minuten liegt, wird diese Warnung dem eigentlichen Auftreten von Oberflächen-Mikroburst-Windscherung eine Zeit vorausgehen, die ausreicht, um landende Flugzeuge umzuleiten oder einen Flugzeugstart zu verzögern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Figur 1 ist ein Diagramm, das nützlich ist zur Erklärung von Wetterverhältnissen, die einen Mikroburst verursachen, sowie der Schaffung von Windscherungszuständen.
• Figur 2 veranschaulicht die Vorboten eines Mikrobursts.
• Figur 3 ist eine Abbildung vertikal aufeinandergeordneter mehrfacher Strahlen, die verwendet werden können, um Mikroburst- Vorhersagungsdaten zu gewinnen.
• Figur 4 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• Figur 5 ist ein Blockschaltbild eines Empfängers, der in der bevorzugten Ausführungsform der Figur 4 verwendet werden kann.
• Figur 6 ist ein Blockschaltbild eines Prozessors, der für den in Figur 4 gezeigten Parameterschätzer verwendet werden kann.
• Figur 7 ist ein Blockschaltbild eines Prozessors, der für die Nachweisauslöser der Figur 4 verwendet werden kann.
• Figur 8 veranschaulicht Prozessoren, die für den in Figur 4 gezeigten Mikroburst-Positionsbestimmer verwendet werden können.
• Figur 9 ist eine Graph der Dopplerspektral-Asymmetrie in Bezug auf die Radialgeschwindigkeit.
• Figur 10 ist eine Graph der Dopplerspektrumbreite in Bezug auf die Radialgeschwindigkeit.
• Figur 11 ist ein Blockschaltbild eines Prozessors, der als der in Figur 4 gezeigte Windscherungs-Prädiktor verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
• Eine wichtige Ursache von Unfällen bei Flugzeuglandungen und -starts ist eine bestimmte Form von Windscherung, die Mikroburst genannt wird. Der Begriff Mikroburst, der geprägt wurde, um eine Gefahr für die Luftfahrt zu bezeichnen, ist ein kräftiger Abwärtsstoß feuchter Luft, der nahe Bodenhöhe einen heftigen horizontalen Luftstoß nach allen Richtung verursacht. Dieser heftige horizontale Stoß verursacht eine horizontale Windgeschwindigkeits-Differenz über sein Zentrum. Man sagt, ein Mikroburst sei aufgetreten, wenn diese Windscherung größer gleich 10 Meter pro Sekunde über einen Oberflächenbereich mit einem Durchmesser von ungefähr 4 km unterhalb 500 m über Bodenhöhe (AGL = above ground level) ist. In niedrigen Höhen ist der Bodenradarnachweis von Windscherung durch Bodenechos beschränkt, die als Störzeichen bezeichnet werden, und durch die Tatsache, daß in vielen Fällen ein Großteil der (das Radarecho erzeugenden) Feuchtigkeit im Abwind verdunstet, bevor er den Boden erreicht. Typische Störzeichenpegel und typische Antennenrotationsgeschwindigkeiten von Flughafenüberwachungsradaren an städtischen Flughäfen beschränken den Windscherungsnachweis auf Mikrobursts mit Niederschlags-Reflexionsvermögen in der Größenordnung von 10-20 dBz oder höher. Wenn Störzeichen nicht vorhanden wären oder, wenn möglich, durch ein Signalverarbeitungs-Mittel abgeschwächt wären, bestimmen Geräuschbeschränkungen die nachweisbaren Signalpegel, und eine Empfindlichkeitserhöhung um eine Größenordnung wäre realisiert. In welchem Maße Störzeichen durch Signalfilterung abgeschwächt werden können, ist von den Antennenrotationsgeschwindigkeiten und der Azimutstrahlenbreite abhängig. Eine schnellere Antennenrotation oder eine schmalere Antennenstrahlenbreiten erzeugen höhere Grade der Bodenstörzeichenmodulation, wodurch eine Reduzierung von Störzeichen durch Eingangssignalfilterung erschwert wird. Zwei Typen von Mikroburst sind bekannt: trockene und feuchte. Trockene Mikrobursts treten in der Regel bei trockenem Klima auf, wobei schwerer Regen in größerer Höhe, der die Ereignisse einleitet, die starke Bodenwindscherungszustände verursachen, zum größten Teil verdunstet, bevor er den Boden erreicht. Auf Grund der geringen Menge an mitgerissener Feuchtigkeit in Bodenhöhe weisen trockene Mikroburst- Windscherungen Reflexionsvermögen von weit unter 20 dBz auf. Feuchte Mikroburst-Windscherung tritt in der Regel in Bereichen mit schwerem Regen auf und verdunstet nur zum Teil, bevor sie den Boden erreicht. Normalerweise weisen derartige Mikroburst- Windscherungen ein Reflexionsvermögen mit einem Pegel von weit über dem 20-dBz auf. Bodenstörzeichen behindern somit den Nachweis trockener Mikroburst-Windscherung sowie feuchter Mikroburst-Windscherung durch Radarsysteme, die mit Radarstrahlen nahe Bodenhöhe arbeiten.
• Nunmehr wird auf die Figur 1 Bezug genommen. Ein Mikroburst wird durch einen starken vertikalen Abwind verursacht, der einen horizontalen Durchmesser D zwischen 1,5 und 3 Kilometern hat und in großen Höhen entsteht. Der Störungsdurchmesser nimmt zu, indem sich der Abwind der Erdoberfläche nähert, und stellt über eine Distanz W von höchstens 4 km eine horizontale Windgeschwindigkeits-Differenz V = V2 - (-V1) nahe der Oberfläche her, die mindestens 10 Meter pro Sekunde beträgt (20 Knoten) und zwischen 60 Knoten und 100 Knoten liegen kann. (Wenn W größer ist als 4 km, sagt man, es habe sich ein Makroburst ereignet, ein Zustand, der für landende oder startende Flugzeuge weniger gefährlich ist). Obwohl ein Abwind eines von mehreren meteorologisch nachweisbaren Phänomenen ist, die gemeinsam Mikroburst-Vorboten genannt werden, ist der Abwind der am wenigsten eindeutige Vorbote nachfolgender Oberflächen-Mikroburst-Windscherung.
• Das landende Flugzeug AC, das in einen Mikroburst- Windscherungsbereich hineinfliegt, erfährt zunächst eine Zunahme des Gegenwindes, die das Flugzeug AC dazu bringt, oberhalb des Gleitwegs GL zu fliegen. Der Pilot kann versuchen, durch Reduzierung der Luftgeschwindigkeit und des Anstellwinkels zum Gleitweg zurückzukehren. Indem das Flugzeug AC durch den Mikroburst weiterfliegt, begegnet es einem starken Abwind, der es abwärts zwingt, während es sich horizontal bewegt, und dann einem Rückenwind, der zu einem Verlust an Auftrieb führt. Indem das Flugzeug AC unter den Gleitweg GL fällt, muß der Pilot nun die Leistung und den Anstellwinkel erhöhen, um das Flugzeug AC auf den Gleitweg GL zurückzubringen. Da das Flugzeug eine bestimmte Zeit braucht, um auf die Steuerbefehle anzusprechen, kann es zu einem Absturz kommen, wenn das Flugzeug zu nahe am Boden ist, um abgefangen zu werden.
• Mikroburst-Vorboten treten zwischen 1 und 8 km über Bodenhöhe etwa 5-15 Minuten vor dem Beginn von Windscherung in niedriger Höhe auf. Ein Diagramm, das die Bildung eines typischen feuchten Mikrobursts darstellt, ist in Figur 2 gezeigt. In der ersten Phase 10 wird ein Kern 11a dicht gepackten Wassers mit einem begleitenden hohen Reflexionsvermögen in einer Höhe zwischen 3 und 8 km über Bodenhöhe gebildet. Gleichzeitig mit der Bildung des Kerns 11a findet ein Zustrom von Luft 12a am oder oberhalb des Kerns 11a statt. Wenn Instabilität den Kern 11a hohen Reflexionsvermögens dazu bringt abzusteigen, verursacht sie eine zusätzliche Konvergenz von Luft 13a hinter seinem Abstieg sowie in vielen Fällen eine Luftrotation 14a der absteigenden Säule. Außerdem drückt der absteigende Kern 11a hohen Reflexionsvermögens unter sich befindliche feuchtigkeitsbeladene Luft nach unten, was in einem starken Abwind resultiert, der sich beschleunigt, indem auf Grund von Feuchtigkeitsverdunstung Luftkühlung stattfindet. Dieser Kern hohen Reflexionsvermögens kann die Oberfläche gleichzeitig mit oder nach der Einleitung der Windscherung erreichen. Der starke Abwind stellt eine Luftdivergenz 17a an der Oberfläche her, wodurch die Windgeschwindigkeits-Differenz V = V2 - V1 verursacht wird.
• Wetterphänomene in größerer Höhe liefern somit nachweisbare Vorboten, an Hand derer Mikrobursts an der Oberfläche mit einer ausreichenden Vorlaufzeit vorhergesagt werden können, um ein Flugzeugunglück während der Landung oder des Starts zu verhindern. Zu mit dem absteigenden Abwind assoziierten Vorboten gehören: ein absteigender Reflexionsvermögenskern, horizontale Windkonvergenz in größerer Höhe und eine horizontale Rotation der Abwindsäule. Diese Vorboten sind indirekte Erkennungsmerkmale des vertikalen Abwindes, der die direkte Ursache von Oberflächen-Mikroburst-Windscherung ist. Da ein absteigender Kern hohen Reflexionsvermögens zusammen mit Windkonvergenz und -rotation nur indirekte Erkennungsmerkmale des vertikalen Abwindes sind, sind sie als Indikatoren eines bevorstehenden Mikrobursts weniger zuverlässig als eine direkte Messung der vertikalen Windgeschwindigkeit. Absteigende Kerne hohen Reflexionsvermögens, gekoppelt mit einer beträchtlichen horizontalen Windkonvergenz und -rotation, sind ohne das Auftreten eines anschließenden Mikrobursts beobachtet worden; und es sind auch in ihrer Abwesenheit Mikrobursts aufgetreten. Folglich erfordert das eindeutige Vorhersagen eines Mikrobursts das direkte Erkennen eines vertikal absteigenden Abwinds mit einem Reflexionsvermögen größer 15 dBz, das im typischen Fall mindestens gleich größer dem des umliegenden Bereichs ist, und einer vertikalen Windgeschwindigkeit größer 5 Meter pro Sekunde innerhalb einer Säule mit einem Durchmesser in größerer Höhe von zwischen 1,5 und 3,0 km. Während der feuchte Abwind absteigt, verursacht Verdunstung in der Säule eine Abkühlung und bewirkt eine Beschleunigung, die die vertikale Windgeschwindigkeit um bis zu 25 Metern pro Sekunde erhöhen kann. Die Anwesenheit aller drei Faktoren weist einen eindeutigen Vorboten eines unmittelbar bevorstehenden Mikrobursts nach.
• Ein Frühwarnsystem zum Vorhersagen eines Oberflächen- Mikrobursts muß folglich vertikale Abwinde in Höhen von 1-3 km nachweisen können. Dies kann mit einem Dopplerradar-System bewerkstelligt werden, das einen einzigen Strahl hat, der zur Abtastung mit einem hohen Elevationswinkel orientiert ist, oder der eine Mehrzahl von aufeinandergeordneten Strahlen hat, die jeweils so orientiert sind, daß ein zugewiesener Elevations- Sektor abgetastet wird, wie in Figur 3 gezeigt. Bei einem System mit aufeinandergeordneten Strahlen werden die Anzahl der Strahlen und die einzelnen Strahlenbreiten so ausgewählt, daß eine Abdeckung über eine gewünschte Höhenzone über Bodenhöhe in einem Bereich um einen Flughafen geliefert wird. Wenn die Elevationsabdeckung und die Anzahl Strahlen zur Lieferung dieser Abdeckung ausgewählt sind, wird eine Elevationsstrahlenbreite für jeden Strahl festgelegt, die ungefähr die gleiche Prozentspanne der vertikalen Windgeschwindigkeit liefert, wie sie in jedem Elevationsstrahl gemessen wird.
• Die Elevationsstrahlenbreite für jeden Strahl in der Strahlenkonfiguration in Figur 3 würde gemäß der folgenden Beziehung ausgewählt werden:
• wobei θ1 die aufeinanderfolgenden Elevationswinkel sind, die jeden Elevationsstrahlenübergang bestimmen. φn, in Figur 3 gezeigt, ist der Elevationswinkel des n-ten aufeinandergeordneten Strahls. Obwohl in Figur 3 nur drei Strahlen gezeigt sind, ist dies nicht einschränkend, und es können eine größere oder eine geringere Anzahl gewählt werden, um die Abdeckung an einem Systemort zu optimieren.
• Nunmehr wird auf die Figur 4 Bezug genommen, in der ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführung der Erfindung gezeigt ist. Durch die aufeinandergeordnete-Strahlen-Antenne 11 empfangene Signale werden an einen Strahlselektor 12 gekoppelt, von wo aus ein ausgewählter Strahl an einen Kohärenzempfänger 13 gekoppelt ist. Die Strahlen werden rotierend ausgewählt, um eine kontinuierliche Elevationssektorabdeckung zu liefern, indem die Antenne 11 mittels eines Azimutantriebsmechanismus 14 azimutal gedreht wird. Wie erklärt werden wird, liefert der Kohärenzempfänger 13 zwei Ausgangssignale, die als I und Q bezeichnet sind, an einen Parameterschätzer 15, der einen Dopplerspektrum-Mittel-(Durchschnitts)-Geschwindigkeits-Schätzer 15a, einen mit einem Mittel-Dopplerspektrum-Asymmetrie-Schätzer kombinierten Dopplerspektrumgeschwindigkeitsbreite- (Varianz-) Schätzer 15b, einen Reflexionsvermögensschätzer 15d, einen Signal-zu-Störzeichen-Schätzer 15e (nachstehend wird für Signal- zu-Störzeichen die Bezeichnung S/S verwendet) und einen kombinierten Reflexionsvermögen-und-S/S-Vergleicher 15f umfaßt. Signale, die den Schätzwert der mittleren Spektralgeschwindigkeit, den Schätzwert der mittleren Spektralbreite, den Schätzwert der mittleren Spektral-Asymmetrie und den Schätzwert des Reflexionsvermögens darstellen, die an Hand der Verarbeitung des I- und des Q-Signals erhalten werden, werden vom Parameterschätzer 15 an einen Parameterabbilder 16 gekoppelt, der auch die Schrägentfernung darstellende Signale von einem (nicht gezeigten) Entfernungs-Auftatstgenerator, die Antennen- Azimutstellung darstellende Signale vom Antennenazimut-Antriebs- Mechanismus 14, die Strahlauswahl darstellende Signale vom Strahlselektor 12, und ein Auftastsignal vom Vergleicher 15f empfängt, wenn sowohl der Schätzwert des Reflexionsvermögens als auch der Schätzwert des Signal/-Störzeichen-Verhältnisses vorherbestimmte Schwellen übersteigen.
• Nachdem ein Auftastsignal erhalten worden ist, werden die vier die Schätzwerte darstellende Signale für die N jüngsten Azimutalabtastungen in einem Mittel-Geschwindigkeits-Speicher 16a, einem Geschwindigkeits-Spektralbreite-Speicher 16b, einem Asymmetriespeicher 16c und einem Reflexionsvermögen-Speicher 16d gespeichert. Die gespeicherten Signale 16a, 16b und 16d werden an eine Nachweisschaltung 17 gekoppelt, in der Auslöser für die Weiterverarbeitung erzeugt werden. Ein Mikroburst-Abwind- Positionsbestimmer und -nachprüfer 18 verarbeitet alle vier im Parameterabbilder 16 gespeicherten Signale, um die Existenz und den Weg von Mikroburst-Vorboten nachzuprüfen, wenn er durch Signale von der Nachweisschaltung ausgelöst wird. Die Mikroburst-Vorbotenwegsignale werden an einen Windscherungs-Prädiktor 19 gekoppelt, in dem die Mikroburst-Aufschlagsposition, Windscherungsgröße, Zeit bis zum Aufschlagen und der Typ von Mikroburst (feucht oder trocken) bestimmt werden. Die Mikroburst- Aufschlagsposition und die Feuchter-oder-trockener-Mikroburst- Informationen werden vom Aufschlagspositions-Prädiktor 19 an einen Windscherungsverfolger 20 gekoppelt, der diese Daten verwendet, um den Windscherungs-Oberflächenweg ab der ersten Mikroburstaufschlagsposition zu liefern.
• Eine schematische Abbildung eines geeigneten Empfängers 13 ist in Figur 5 gezeigt. Signale vom Strahlselektor 12 werden durch ein HF-Filter 13-1 an einen Mischer 13-2 gekoppelt, in dem die gefilterten HF-Signale, die innerhalb einer vorherbestimmten Bandbreite um die Radarbetriebsfrequenz liegen, mit einem von einem stabilisierten Empfangsoszillator (STALO) 13-3 gelieferten Signal gemischt werden, um Zwischenfrequenz- (ZF-) Signale an einen ZF-Verstärker 13-4 zu liefern. Die Bandbreite des ZF- Verstärkers wird so gewählt, daß das Signal-Rausch-Verhältnis (nachstehend auch als S-R-Verhältnis bezeichnet) optimiert wird, und daß ein maximaler Korrelationsabbau der Signalproben in nebeneinanderliegenden Entfernungs-Zellen geliefert wird. Signale vom ZF-Verstärker werden an einen I/Q-Demodulator 13-5 gekoppelt, von dem aus eine Signalkomponente, die mit einem von einem Kohärenzoszillator (COHO) 13-6 an den I/Q-Demodulator 13-5 gekoppelten Signal in Phase (I) ist, auf der Leitung 13-7 geliefert wird, während eine Signalkomponente, die mit dem Kohärenzoszillatorsignal in Quadratur (Q) ist, auf der Leitung 13-8 geliefert wird. Die I- und Q-Signale werden an die Videoverstärker 13-9 bzw. 13-10 gekoppelt, von denen aus die verstärkten Analogsignale in den Analog-Digital-Umsetzern 13-11 bzw. 13-12 in digitale Signale umgesetzt werden. Die I- und Q- Digitalsignale werden auf den Leitungen 13-13 bzw. 13-14 zur weiteren Verarbeitung und an eine Rauschmeßschaltung 13-5 geliefert, in der das Empfängerrauschen bestimmt wird. Diese Rauschmessung kann beim ersten Testen des Empfängers durchgeführt und der Rauschpegel im System zur späteren Verwendung notiert werden, wie anschließend beschrieben werden wird, oder die Rauschmessung kann in periodischen Abständen durchgeführt werden, um einen aktualisierten Rauschpegel zu liefern, und wenn eine Empfängerkontrolle durchgeführt wird.
• Der Fachmann wird erkennen, daß es zur Schätzung der mittleren Geschwindigkeit, der Spektralbreite und der Spektral- Asymmetrie zwei allgemeine Verfahrensweisen gibt. Eine Verfahrensweise besteht darin, zunächst das Leistungsspektrum der empfangenen Impulsfolge in jeder Entfernung-Azimut-Zelle unter Verwendung der digitalen Signale I und Q zu berechnen und dann unter Verwendung von Standardformeln diese Größen zu berechnen. Die zweite Vorgehensweise besteht darin, die komplexe Autokorrelationsfunktion des empfangenen Signals unter Verwendung der digitalen Signale I und Q zu berechnen. Die zweite Vorgehensweise wird für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, da mit dieser Vorgehensweise die Schätzwerte der Spektralbreite und der Spektral-Asymmetrie bei niedrigem S-R-Verhältnis wesentlich genauer sein werden.
• Die digitalen I- und Q-Signale werden an einen Skalar- Produkt-Rechner 15-1, an einen Vektor-Produkt-Rechner 15-2 und an einen Mittel-Leistung-Rechner 15-3 des Parameterschätzers 15 gekoppelt, wie in Figur 6 gezeigt. Eine Impulsfolgerate für den Radarsender wird so gewählt, daß eine Mehrzahl von Impulsen, die zum Beispiel 1600 sein kann, pro Entfernungs-Zelle geliefert wird. Diese Impulse werden unter Verwendung einer vorbestimmten Anzahl von Impuls-Intervallen verarbeitet, die zum Beispiel 1 bis einschließlich 16 sein kann. Das Impuls-Intervall 1 stellt eine Verarbeitung dar, die die Nyquist-Kriterien zur Lieferung unzweideutiger resultierender Signale erfüllt. Die Impuls- Intervalle, die größer als 1 sind, stellen eine Verarbeitung das, die dieses Kriterien nicht erfüllt, werden aber zwecks einer wesentlichen Verbesserung der Parameterschätzwerte der mittleren Dopplergeschwindigkeit, der Dopplergeschwindigkeits- Spektralbreite und der Spektral-Asymmetrie verwendet. Wenn das Impuls-Intervall 1 verwendet wird, multipliziert der Skalar- Produkt-Rechner 15-1 die I-Komponente eines empfangenen Signals innerhalb einer gegebenen Entfernungs-Zelle mit der I-Komponente des nächsten empfangenen Signals in der Entfernungs-Zelle und addiert das so erhaltene Produkt und das Produkt, das erhalten wird, indem die Q-Komponente des empfangenen Signals in ähnlicher Weise mit der Q-Komponente des nächsten empfangenen Signals multipliziert wird. Diese summierten Produkte können durch Multiplizierung der I- und Q-Komponenten beim ersten und beim zweiten empfangenen Signal, beim zweiten und beim dritten empfangenen Signal, beim dritten und beim vierten empfangenen Signal usw. erhalten werden. Von summierten Produkten kann dann über die Anzahl der Produktsummen der Durchschnitt gebildet werden, um ein eine Durchschnitts-Produktsumme X1 darstellendes Signal zu liefern. Bei der Verarbeitung vom Impuls-Intervall 2 werden die I- und Q-Komponenten des ersten und des dritten empfangenen Signals multipliziert, das zweite und das vierte empfangene Signal multipliziert und so fort, um Produktsummen zu bilden, von denen dann der Durchschnitt gebildet wird, um ein eine zweite Durchschnitts-Produktsumme X2 darstellendes Signal zu liefern. Die Durchschnittswerte Xm können mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
• wobei m = 0, 1, 2, ...., M
• Zu beachten ist, daß m = 0 einen Schätzwert für die durchschnittliche empfangene Leistung in einer Entfernungs-Zelle liefert.
• Der Vektor-Produkt-Rechner 15-2 arbeitet ähnlich wie der Skalar-Produkt-Rechner 15-1. In dieser Einheit wird aber, wenn eine Ein-Impuls-Intervall-Verarbeitung verwendet wird, das Produkt aus der I-Komponente des zweiten empfangenen Signals und der Q-Komponente des ersten empfangenen Signals vom Produkt aus der I-Komponente des ersten Signals und der Q-Komponente des zweiten empfangenen Signals subtrahiert. Solche Multiplikation und Subtraktion wird mit der I-Komponente des zweiten empfangenen Signals, die mit der Q-Komponente des dritten empfangenen Signals multipliziert wird, und der I-Komponente des dritten empfangenen Signals, die mit der Q-Komponente das zweiten empfangenen Signals multipliziert wird, und so fort weitergeführt. Die Differenz der gepaarten Signalprodukte kann dann summiert und davon der Durchschnitt gebildet werden, um ein für ein Durchschnitts-Skalar-Produkt Y1 repräsentatives Signal zu liefern. Wenn eine Zwei-Impuls-Intervall-Verarbeitung verwendet wird, werden die Multiplikationen zwischen den Komponenten des n-ten und des (n + 2)-ten empfangenen Signals durchgeführt. Wie vorher, werden die Produkte, von denen die Differenzen gebildet worden sind, aufsummiert und der Durchschnitt davon gebildet, um ein für ein Durchschnitts- Skalar-Produkt Y2 repräsentatives Signal zu liefern. Die Durchschnitts-Skalar-Produkte Ym können mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
• wobei m = 0, 1, 2, ...., M
• Der Fachmann wird erkennen, daß das skalare und das vektorielle Produkt der Realteil und der Imaginärteil der Autokorrelationsfunktion für einen ausgewählten Nacheilungswert m der empfangenen Signale sind. Die Produkte X1 und Y1 können an einen Mittel-Dopplergeschwindigkeit-Rechner 15-4 gekoppelt werden, in dem ein unzweideutiger Wert der mittleren Doppler- Geschwindigkeit V an Hand der folgenden Formel bestimmt wird:
• wobei h die Abtastperiode (Abgetasteter-Impuls-Intervall) ist und λ die Radarsignalwellenlänge ist. Die Nacheilungsprodukte höherer Ordnung Xm und Ym können verwendet werden, um den Schätzwert von V zu verbessern, indem die Geschwindigkeits- Vieldeutigkeit in tan&supmin;¹ (Ym/Xm) auf eine geeignete Art und Weise beseitigt wird, und zwar unter Verwendung von tan&supmin;¹ (Y1/X1) als Referenz, wobei von allen Schätzwerten der Durchschnitt gebildet wird. Der Mittel-Leistung-Rechner 15-3 quadriert und summiert die I- und die Q-Komponente für jedes empfangenes Signal, um die Leistung jedes empfangenen Signals zu bestimmen, und bildet den Durchschnitt der Leistungen aller empfangenen Signale. Dies entspricht, wie vorher bemerkt, einem skalaren Produkt bei dem m = 0. Die mittlere Leistung P ist daher:
• Die Dopplergeschwindigkeits-Spektralbreite kann an Hand der Größe der Autokorrelationsfunktion bei verschiedenen Nacheilungen bestimmt werden. Die allgemeine Form ist wie folgt:
• wobei R(ah) = [(Xa)² + (Ya)²]1/2
• und wobei N der nützlichen Nacheilung Nh höchster Ordnung entspricht (N wird durch die Korrelationsbreite des Regenechos beschränkt). Während alles Obengenannte denselben Wert für ergibt, sind ausgewählte Werte von m und n entweder geeigneter für die Berechung, oder sie ergeben genauere Resultate. Die -Schätzwerte, die von einem Satz von ausgewählten Werten von (m, n) geliefert werden, werden gemittelt, um die Schätzwert- Genauigkeit von weiter zu verbessern. Die Abtastgeschwindigkeit auf der Grundlage der Nyquist-Kriterien wirkt sich auf die Bestimmung von nicht aus. Eine unzweideutige mittlere Geschwindigkeit α und die Dopplerspektralbreite für den Regen werden somit bei einer wirtschaftlichen Verwendung von Speicher und Verarbeitungszeit erhalten.
• Ein dritter für die Bestimmung eines Mikroburst-Vorboten erforderlicher Parameter kann ermittelt werden, indem das für die Leistung repräsentative Signal P vom Mittel-Leistung-Rechner 15-3 an einen Mittel-Reflexionvermögen-Bestimmer 15-6 gekoppelt wird. Das Radarreflexionsvermögen Z wird mit η, dem Streuungs- Querschnitt pro Einheitsvolumen, durch
• η = π&sup5;/λ&sup4; Kw ² Z
• in Beziehung gebracht.
• Da in der vorliegenden Anwendung Kw nahe bei eins liegt, ist
• η π&sup5;/λ&sup4;Z
• Der Streuungsquerschnitt A wird wie folgt berechnet:
• A = ηV = π&sup5;/λ&sup4;Z V
• wobei V ein Einheitsvolumen von Niederschlag mit dem Radarreflexionsvermögen Z ist. Die Kenntnis der in einer bestimmten Entfernungs-Zelle empfangenen Leistung zusammen mit der Entfernung der Entfernungs-Zelle und den Arbeits-Parametern des Radars erlaubt die Berechnung von A und V und daher von Z an Hand der Radargleichung. Da die Radarparameter und die Entfernung für jede Entfernungs-Zelle a priori bekannt sind, kann eine Nachschlagetabelle aufgebaut werden, die für jede Entfernungs-Zelle die direkte Berechnung von Z an Hand der in der Entfernungs-Zelle gemessenen Leistung P erlaubt.
• Es wird erneut auf die Figur 4 Bezug genommen. Ein für das geschätzte Reflexionsvermögen repräsentatives Signal wird vom Reflexionsvermögensschätzer 15c an den Vergleicher 15f gekoppelt, in dem es mit einem für ein Schwellenreflexionsvermögen, das zum Beispiel 15 dBz sein kann, repräsentatives Signal verglichen wird. Wenn das Schwellensignal in einer bestimmten Entfernungs-Zelle überstiegen wird, werden Gatter 16e, 16f und 16g betätigt, und die mittlere Geschwindigkeit, die Varianz und das Reflexionsvermögen für die Entfernungs-Zelle werden in den Speichern 16a bzw. 16b bzw. 16d gespeichert; sonst wird eine Null aufgenommen. Die Speicher 16a, 16b und 16d enthalten gespeicherte Einträge für die letzten N, wie zum Beispiel 3, Antennen-Abtastungen. Jeder Eintrag in den Speichern wird an die Nachweisschaltung 17 gekoppelt, in der jeder von jedem der entsprechenden Einträge für die zwei vorherigen Abtastungen subtrahiert wird, um zeitliche Differenzen der Regendoppler- Geschwindigkeit, der Regendopplergeschwindigkeits-Spektralbreite und des Regenreflexionsvermögens zu erhalten. Darüber hinaus wird jeder Entfernungs-Zellen-Eintrag vom entsprechenden Eintrag für die zwei vorherigen Entfernungs-Zellen subtrahiert, um räumliche Differenzen der drei Parameter zu erhalten. Jede Differenz wird mit einer vorherbestimmten Schwelle verglichen, und wenn die Schwelle überstiegen wird, wird ein Auslösersignal erzeugt. Eine schematische Darstellung dieser Verarbeitung, in der Form eines Blockschaltbilds, ist in Figur 7 gezeigt. Jedesmal, wenn einer der Einträge in einer Subtraktion null ist, wird die Differenz als null definiert und übersteigt die Schwelle nicht.
• Da die oben beschriebene Verarbeitung für alle drei Parameter ähnlich ist, wird nur die das Reflexionsvermögen R betreffende Verarbeitung in Bezug auf Figur 7 erörtert. Die das Reflexionsvermögen darstellenden Signale vom Reflexionsvermögensbestimmer 15-6 (Figur 6) für jeden Azimut-Wobbeldurchgang werden an ein erstes Schieberegister 17-1 gekoppelt, in dem jede Stufe des Registers einer Entfernungs-Zelle entlang dem ausgewählten Azimutentfernungs-Wobbeldurchgang entspricht, und an die negativen Eingangsanschlüsse der Summierungsnetze 17-2 und 17-3 zugeführt. Die Entfernungs-Zellen-Daten für aufeinanderfolgende Entfernungs-Wobbeldurchgänge bei einer Antennen-Abtastung werden seriell in das Schieberegister 17-1 eingegeben. Wenn das Register 17-1 voll ist, enthält die letzte Stufe die Reflexionsvermögensdaten für die erste Entfernungs- Zelle des ersten Entfernungs-Wobbeldurchgangs, und die erste Stufe enthält die Reflexionsvermögensdaten für die letzte Entfernungs-Zelle des letzten Wobbeldurchgangs der Antennen- Abtastperiode. Bei der Eingabe von Daten für die erste Entfernungs-Zelle des ersten Entfernungs-Wobbeldurchgangs bei der nächsten Abtastung in die erste Stufe des Schieberegisters 17-1 verschieben sich alle Daten im Register um eine Stufe, und die Daten in der letzten Stufe werden vom Register 17-1 an die erste Stufe eines zweiten Schieberegisters 17-4 und an den positiven Eingangsanschluß eines Summiernetzes 17-2 gekoppelt. Jede Reflexionsvermögenseingabe hat zur Folge, daß sich die Daten in jedem Schieberegister um eine Stufe verschieben. Nach zwei vollständigen Abtastungen sind Reflexionsvermögensdaten für alle Entfernungs-Wobbeldurchgänge in die Register eingegeben worden, wobei die Daten für die erste Entfernungs-Zelle des ersten Entfernungs-Wobbeldurchgangs bei jeder der zwei vorherigen Antennen-Abtastungen in die entsprechende letzte Stufe eines jeden Registers eingegeben worden sind. Bei der Kupplung der Daten der ersten Entfernungs-Zelle des ersten Entfernungs-Wobbeldurchgangs bei der dritten Abtastung an das Schieberegister 17-1 und an die Summierungsnetze 17-2 und 17-3 werden die Daten in der ersten Entfernungs-Zelle des ersten Entfernungs-Wobbeldurchgangs der zwei vorherigen Antennen- Abtastungen jeweils an die positiven Eingangsanschlüsse der Summierungsnetze 17-2 und 17-3 gekoppelt. Die Differenzsignale an den Ausgangsanschlüssen der Summierungsnetze werden jeweils an Vergleicher 17-5 und 17-6 gekoppelt, von denen jeder ein Auslösersignal an ein ODER-Glied 17-7 liefert, wenn das Reflexionsvermögensdifferenzsignal ein vorherbestimmtes Schwellensignal RT übersteigt. Dieser Vorgang wird bei jeder Antennen-Abtastung wiederholt.
• Die das Reflexionsvermögen darstellenden Signale in jedem Entfernungs-Wobbeldurchgang werden auch an die Verzögerungs- Leitung 17-8 gekoppelt, in der die Signale um ein Entfernungs- Zellen-Intervall verzögert werden, und an die Negativeingänge der Summierungsnetze 17-9 und 17-10. Die um ein Entfernungs- Zellen-Intervall verzögerte Signale in der Verzögerungs-Leitung 17-8 werden dann an den positiven Eingangsanschluß des Summierungsnetzes 17-9 und an die Verzögerungs-Leitung 17-11, in der sie eine zweite Verzögerung um ein Entfernungs-Zellen- Intervall erfahren, gekoppelt. Nach der zweiten Verzögerung werden die Signale an den positiven Eingangsanschluß des Summierungsnetzes 17-10 gekoppelt. Es sollte offensichtlich sein, daß die Signale an den positiven Eingangsanschlüssen der Summierungsnetze die Reflexionsvermögensdaten in angrenzenden Entfernungs-Zellen für denselben Azimut-Wobbeldurchgang darstellen, und daß die Signale an den Ausgangsanschlüssen der Summierungsnetze 17-9 und 17-10 die Differenzen zwischen den das Reflexionsvermögen darstellenden Signalen für angrenzende Entfernungs-Zellen und zwischen das Reflexionsvermögen darstellenden Signalen für zwei durch eine Entfernungs-Zelle getrennte Entfernungs-Zellen sind. Diese Differenzsignale sind an die Vergleicher 17-11 bzw. 17-12 gekoppelt, von denen aus Auslösersignale an ein ODER-Glied 17-13 gekoppelt sind, wenn die Differenzsignale ein zweites das Reflexionsvermögen darstellendes Schwellensignal RRT übersteigen. Auslösersignale für die Dopplergeschwindigkeit V und die Dopplergeschwindigkeits- Spektralbreite werden in einer ähnlichen Weise erzeugt. In dieser Weise können sechs mögliche Auslöser (ein räumlicher und ein zeitlicher für jeden der drei Parameter) an den Ausgangsanschlüssen a-f der ODER-Glieder 17a-17f erscheinen.
• Ausgangsanschlüsse a-f werden an ein ODER-Glied 18-1 des Mikroburst-Abwindnachprüfers 18a gekoppelt, wie in Figur 8 gezeigt. Wenn irgendeiner der sechs Auslöser erzeugt wird, koppelt somit das ODER-Glied 18-1 ein Freigabesignal an einen Elevationsstrahl/-sektor-Suchbereich-Bestimmer 18-2. Nach dem Empfang des Freigabesignals identifiziert der Bereichs-Bestimmer 18-2 einen Bereich, in dem mindestens ein Auslöser erzeugt worden ist, und liefert ein Freigabesignal an einen Schätzer 18- 3 für die vertikale Regengeschwindigkeit und die horizontale Windgeschwindigkeit. Beim Empfang dieses Freigabesignals beginnt der Schätzer 18-3 die Verarbeitung der Signale innerhalb des identifizierten Elevationsstrahl/-sektor-Suchbereichs, die vom Speicher 16 daran gekoppelt sind. Obwohl nicht in der Figur gezeigt, sollte verstanden werden, daß die Verarbeitung in allen drei Radarstrahlen durchgeführt wird.
• Die Werte von V, , β und R für jede Entfernungs-Zelle innerhalb des Suchbereichs werden an einen Schätzer 18-3 für die vertikale Regengeschwindigkeit gekoppelt, während die Koordinaten jeder Entfernungs-Zelle innerhalb des Suchbereichs über ein Gatter 18-9 an einen Vorbotenbereichs-Identifizierer 18-4 gekoppelt werden. Im Schätzer 18-3 für die vertikale Regengeschwindigkeit gespeichert sind vorberechnete Daten, die die Bestimmung von Schätzwerten für die vertikale und die horizontale Regentropfengeschwindigkeit im Abwind an Hand geschätzter Größen Vp, und β erlauben. Die vertikale und die horizontale Geschwindigkeit des fallenden Niederschlags stehen innerhalb jedes Elevationsstrahls in einer eindeutigen Beziehung zu einem des Drei-Parameter-Satzes, bestehend aus mittlerer Dopplergeschwindigkeit V, aus der Dopplerspektralbreite α und aus der Dopplerspektral-Asymmetrie b. Dies resultiert aus der Tatsache, daß ein Dopplerradar die vertikale Geschwindigkeits- Komponente VV der Regentropfen, multipliziert mit dem Sinus des Elevationswinkels θ innerhalb eines Elevationsstrahls, mißt, während sich die horizontale Geschwindigkeits-Komponente VH der Regentropfen in die Radardopplermessung, multipliziert mit dem Kosinus des Elevationswinkels θ, eingekoppelt wird.
• Im Elevationsstrahl 1 variiert θ von 87º bis 47º. Die Beiträge zum Dopplerspektrum durch die vertikale Geschwindigkeits-Komponente VV der Regentropfen werden deshalb mit Werten multipliziert, die über den Elevationsstrahl von sin 87º bis einschließlich sin 47º variieren. In ähnlicher Weise werden die Beiträge der Regentropfenhorizontalgeschwindigkeit VH an das Dopplerspektrum mit Werten multipliziert, die von cos 87º bis einschließlich cos 47º variieren. Das gemessene Dopplerspektrum ist die Summe sowohl von VV sin θ-Beiträgen wie auch von VH cos θ-Beiträgen. Infolgedessen ist der Drei-Parameter-Satz bestehend aus mittlerer Dopplerspektralgeschwindigkeit, aus der Dopplerspektralbreite und aus der Dopplerspektral-Asymmetrie {V, r, b} eine eindeutige Funktion der vertikalen und der horizontalen Regentropfengeschwindigkeit {VV, VH}. Bei einer bestimmten Kombination von Regentropfenvertikal- und -horizontalgeschwindigkeit {VV, VH} reicht entweder die gepaarte Messungsmenge {V, α} oder die gepaarte Messungsmenge {V, β} aus, um {VV, VH} eindeutig zu schätzen. Durch die Verwendung beider gepaarter Beziehungen wird die Genauigkeit wesentlich verbessert. Die vorstehende Erklärung gilt auch für die Elevationsstrahlen 2 und 3 mit der Ausnahme, daß {VV, VH} infolge der unterschiedlichen Elevationswinkelabdeckung innerhalb jedes Elevationsstrahls andere Beziehungen zu {V, α} und {V, β} haben. Weil die vorstehenden gepaarten Beziehungen ein direktes Resultat der Radarstrahlgeometrie sind, können sie für jeden Elevationsstrahl vorberechnet und im Schätzer 18-3 für die vertikale und die horizontale Geschwindigkeit gespeichert werden. Typische Kurven, die {V, β} zur Regentropfenvertikal- und -horizontalgeschwindigkeit {VV, VH} in Beziehung setzen und die für einen typischen Elevationsstrahl {V, } zu {VV, VH} in Beziehung setzen, sind in den Figuren 9 bzw. 10 gezeigt.
• Eine Prüfung der Figur 9 zeigt einen Bereich 20, wo ein Paar Radialgeschwindigkeits- und Asymmetriewerte nicht zu einer eindeutigen Menge von {VV, VH}-Werten führen. Kennzeichen eines Mikrobursts können verwendet werden, um diese Zweideutigkeiten abzubauen. Auf Grund von Reibungswirkungen der umliegendenden Luft auf die vertikale Geschwindigkeit sind die Abwindgeschwindigkeiten in einem Mikroburst an den Rändern niedriger als sie am Zentrum des Mikrobursts sind. Diese Reibungskräfte haben keine Auswirkung auf die horizontalen Geschwindigkeiten. Folglich bleiben die horizontalen Geschwindigkeiten über den Abwind konstant. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich ein typischer Mikroburst über 5 bis 10 300-Meter-breite Entfernungs-Zellen in einem Entfernungs- Wobbeldurchgang. Ein Satz von Radialgeschwindigkeit-Asymmetrie- Werten wird für jeden dieser Entfernungs-Zellen bestimmt. Obwohl zwischen den Entfernungs-Zellen eine gewisse Variation in VH bestehen kann, besteht für einen beliebigen Entfernungs- Wobbeldurchgang in jeder Entfernungs-Zelle nur ein Wert für VH für einen gepaarten Radialgeschwindigkeit-Asymmetrie-Wert. Dieser Wert für VH kann an Hand der in Figur 10 gezeigten graphischen Darstellung der Spektralbreite in Bezug auf die Radialgeschwindigkeit bestimmt werden. Wenn die horizontale Geschwindigkeit in einer Entfernungs-Zelle bestimmt worden ist, kann sie verwendet werden, um an Hand der in Figur 10 gezeigten graphischen Darstellung von Asymmetrie-Radialgeschwindigkeit die vertikale Geschwindigkeit in der Entfernungs-Zelle zu bestimmen, wodurch eindeutige Werte für VV und VH ermittelt werden.
• Es sollte verstanden werden, daß es andere Verfahren zum Abbauen der Zweideutigkeit gibt. Zum Beispiel, nachdem an Hand der Figur 10 VH in jeder Entfernungs-Zelle ermittelt worden ist, kann der Durchschnitt der VH-Werte gebildet werden und der Durchschnittswert in Figur 9 verwendet werden, um VV zu ermitteln.
• Ein anderes Verfahren zum Abbauen der Zweideutigkeit verwendet die Beziehung, um VV zu berechnen:
• VRAD = VV sin θe + VH cos θe
• wobei θe für jeden Strahl bekannt ist, VRAD der geschätzte durchschnittliche Doppler für jeder Entfernungs-Zelle ist und VH nach einem der zwei oben beschriebenen Verfahren bestimmt wird. Diese Vorgehensweise könnte einen genaueren Schätzwert für VV für jede Entfernungs-Zelle des Entfernungs- Wobbeldurchgangs liefern als jedes der vorher beschriebenen Verfahren.
• Ein anderes Verfahren zur Schätzung der vertikalen Geschwindigkeit VV, eines, das eine noch größere Genauigkeit liefern und auch die Bestätigung eines Mikroburstabwindvorboten liefern könnte, verwendet die Figur 10 und die bekannte Standardabweichung von Regentropfenturbulenz in einem Mikroburstabwind. Ein typischer Mikroburstabwind ist durch Regentropfenturbulenz mit einer Standardabweichung von im wesentlichen 1 Meter pro Sekunde gekennzeichnet. Die Kurven der Figur 10 basieren auf diesem Wert. Wenn die Turbulenz- Standardabweichung größer ist als irgendein vorher ermittelter Wert, wie zum Beispiel 2 Meter pro Sekunde, wird bestimmt, daß der Abwind kein Mikroburst-Vorbote ist. Da VH über den Abwind konstant ist, definiert eine graphische Darstellung von Spektralbreite in Bezug auf die Radialgeschwindigkeit für die den Mikroburst überspannenden Entfernungs-Zellen die Neigung einer Kurve konstanter VH. Wenn an Hand der Daten eine Neigung für die Spektralbreite-gegen-Radialgeschwindigkeit-Kurve erhalten wird, die wesentlich größer ist als die Neigung in einem entsprechenden Bereich der Figur 10, wird eine Turbulenz- Standardabweichung angezeigt, die größer ist als 1 Meter pro Sekunde. Die gemessene Neigung ist ein direkter Ausdruck der Standardabweichung.
• Es ist einfach, die Kurven der Figur 10 mit graphischen Darstellungen mit einem höheren Wert der Turbulenz- Standardabweichung zu ersetzen. Die revidierte graphische Darstellung kann dann verwendet werden, um VV und VH für jede Entfernungs-Zelle zu schätzen. Solche revidierte Kurven können verwendet werden, um einen eigenen Schätzwert VH für jede den Abwind überspannende Entfernungs-Zelle zu erhalten. Von diesen Schätzwerten für VH kann dann der Durchschnitt gebildet werden, um die Schätzwertgenauigkeit von VH zu erhöhen. Der Durchschnittswert von VH mit dem gemessenen Wert von VRAD in jedem Enfernungsbereich kann in die vorherige Gleichung eingesetzt werden, um einen direkten Schätzwert von VV in jeder Entfernungs-Zelle zu erhalten.
• Um die Schätzgenauigkeit von VV und VH zu erhöhen, ist es wünschenswert, im Mikroburstsuchbereich die Anzahl verarbeiteter Impulse in jeder Entfernungs-Zelle zu erhöhen, zum Beispiel von 1600 Impulsen auf 64000 Impulse. Während es viele Wege gibt, mit denen dies getan werden kann, besteht ein Weg darin, die Länge des übertragenen Impulses zu reduzieren, zum Beispiel von 2 Mikrosekunden auf 0,05 Mikrosekunden, ohne eine Änderung der Impulswiederholfrequenz, mit Abtastung von I und Q im Empfänger alle 00,5 Mikrosekunden anstatt alle 2 Mikrosekunden. Dies erzeugt 40 Entfernungs-Zellen, wo vorher eine Entfernungs-Zelle bestand. Die 1600 Impulse, die in jedem der vierzig 0,05- Mikrosekunden-Entfernungs-Zellen empfangen werden, werden sequentiell gestapelt, um ein 64000-Impulse-Echo über ein 2- Mikrosekunden-Entfernungsintervall zu bilden, wo vorher nur ein 1600-Impulse-Echo bestand. Das 1600-Impulse-Echo des Regens in jeder 0,05-Mikrosekunden-Entfernungs-Zelle ist vom Regenecho in allen anderen Entfernungs-Zellen statistisch unabhängig. Die Erhöhung der Anzahl verarbeiteter Impulse von 1600 auf 64000, ein Faktor von 40, reduziert die Varianz der Schätzwerte von R, V, und β um 40. Dies verbessert die Schätzwerte von VV und VH wesentlich. Die Verarbeitungsänderung hat keine Auswirkung auf die in den Figuren 9 und 10 gezeigten Beziehungen zwischen {V, , β} und {VV, VH}.
• Die Niederschlagsvertikalgeschwindigkeit in der bewegungslosen Luft ist eine Funktion der Regentropfengröße. Das Radarreflexionsvermögen des Niederschlags ist auch eine Funktion der Regentropfengröße. Es ist von Joss und Waldvogel ("Raindrop Size Distribution and Doppler Velocities", 14th Radar Meteorology Conference, American Meteorological Society, Nov/17- 20/70) gezeigt worden, daß, wenn in der Abwesenheit von Wind beide Größen gleichzeitig durch einen Dopplerradar gemessen werden, sie in der folgenden empirischen Beziehung stehen:
• v = 2,6 Z0.107
• wobei v die Dopplerradar-gemessene vertikale Geschwindigkeit ist und Z das Niederschlags-Radarreflexionsvermögen ist.
• Es wird erneut auf die Figur 8 Bezug genommen. Das gemessene Reflexionsvermögen R im Suchbereich wird an den Schätzer 18-5 für die vertikale Regengeschwindigkeit in bewegungsloser Luft gekoppelt, in dem die Joss-Waldvogel- Beziehung verwendet wird, um einen Schätzwert für die vertikale Regengeschwindigkeit in bewegungsloser Luft zu erhalten. Dieser Schätzwert wird an ein Differenzbestimmungsnetz 18-6 gekoppelt, in dem er vom Schätzwert der vertikalen Regengeschwindigkeit subtrahiert wird, der vom Schätzer 18-3 für die vertikale Regengeschwindigkeit und horizontalen Wind an das Differenzbestimmungsnetz 18-6 gekoppelt wird, um die vertikale Windgeschwindigkeit VVW zu erhalten.
• In einem Vergleicher 18-7, von dem ein Signal gekoppelt wird, um das Gatter 18-9 freizugeben, wird diese vertikale Windgeschwindigkeit mit einer Schwellenabwindgeschwindigkeit Vwt verglichen, die für eine minimale Abwindgeschwindigkeit eines Mikrobursts repräsentativ ist; durch die Freigabe des Gatters wird die Adresse der Entfernungs-Zellen geliefert, in denen die Abwindgeschwindigkeit die Schwelle zum Vorbotenbereichs- Identifizierer 18-4 übersteigt. Diese Adressen werden im Bereichs-Identifizierer 18-4 gespeichert, von dem aus sie an das Gatter 18-8 und an einen Räumliches-Ausmaß-Tester 18-10 gekoppelt werden, in dem das räumliche Ausmaß der die Schwelle übersteigenden Abwindgeschwindigkeit bestimmt und mit einem gespeicherten räumlichen Ausmaß eines Mikrobursts verglichen wird. Sollte der Vergleich bestimmen, daß das räumliche Ausmaß der die Schwelle übersteigenden Abwindgeschwindigkeit mit dem eines Mikrobursts vergleichbar ist, wird Gatter 18-8 aktiviert, und die Werte der vertikalen und der horizontalen Windgeschwindigkeit, des Reflexionsvermögens und der Position werden an den Ausgangsanschlüssen des Gatters 18-8 geliefert.
• Die horizontale und die vertikale Windgeschwindigkeit, das Reflexionsvermögen und die Positionskoordinaten, die durch das Gatter 18-8 gekoppelt sind, werden an den Windscherungs- Prädiktor 19 geliefert (Figur 4), von dem ein Blockschaltbild in Figur 11 gezeigt ist. Das Reflexionsvermögen wird an einen Mikroburst-Prädiktor 19-1 gekoppelt, in dem auf der Grundlage der Größe des Reflexionsvermögens eine Vorhersage eines feuchten oder eines trockenen Mikroburst gemacht wird. Ein trockener Mikroburst wird vorhergesagt, wenn R zwischen 15-25 dBz liegen sollte, und ein feuchter Mikroburst wird vorhergesagt, wenn R über 25 dBz liegen sollte.
• Die horizontale Windgeschwindigkeit, die vom Schätzer 18- 3 für die horizontale Windgeschwindigkeit geliefert wird, die vertikale Windgeschwindigkeit, die vom Differenzbestimmungsnetz 18-6 geliefert wird, und die Koordinaten des Bereichs, in dem der Abwind die Schwelle übersteigt, werden an einen Mikroburst- Oberflächenpositions-Prädiktor 19-2 gekoppelt, der diese Daten in einer herkömmlichen Art und Weise verwendet, um die Oberflächenposition des Mikroburstaufschlags vorherzusagen. Die höchste vertikale Windgeschwindkeit im Abwindbereich wird auch an einen Prädiktor für die Zeit bis zum Aufschlagen gekoppelt, der in einer herkömmlichen Weise die Zeit vorhersagt, zu der der Mikroburst auf der Oberfläche aufschlagen wird, sowie an einen Prädiktor 19-4 für die Windscherungsgröße.
• Der Prädiktor 19-1 für feuchter/trockener Mikroburst und der Oberflächenpositions-Prädiktor 19-2 koppeln jeweils Daten an den Windscherungsverfolger 21, der auch Radardaten von einem Radarempfänger (nicht gezeigt) empfängt, der an einen Dopplerradar-Strahl gekoppelt ist, der eine Abdeckung nahe Bodenhöhe liefert, Strahl 4 in Figur 3. Die Feuchter/trockener- Mikroburst-Daten, die vorhergesagte Mikroburstaufschlagsposition und die von dem an Strahl 4 gekoppelten Empfänger gelieferten Daten werden verwendet, um die Windscherung entlang der Oberfläche zu verfolgen und um Vorhersagen von anschließenden Windscherungs-Positionen zu liefern.
• Eine Trockene Mikroburst-Windscherung enthält eine sehr kleine Menge an Feuchtigkeit, da der Hauptteil der ursprünglichen, in größerer Höhe vorhandenen Feuchtigkeit verdunstet, bevor der Abwind die Oberfläche erreicht. Infolgedessen ist es wegen Bodenstörzeichen sehr schwierig, ohne die vorhergesagte Mikroburstabwindaufschlagsposition und die Windscherungsgröße eine trockene Mikroburst-Windscherung während ihres frühsten Auftretens in Bodenhöhe nachzuweisen. Unter Verwendung von Informationen vom Feuchter/trockener-Mikroburst- Prädiktor, dem Prädiktor für die Zeit bis zum Aufschlagen und dem Mikroburst-Oberflächenpositions-Prädiktor sucht der an Strahl 4 gekoppelte Empfänger die das vorhergesagte Oberflächen- Aufschlagsgebiet abdeckenden Entfernung-Azimut-Zellen bei jeder Abtastung ab, um die ersten Anzeichen von Windscherung zu empfangen, die aus dem Erreichen des Bodens durch den Abwind resultieren. Nach dem ersten Nachweis der Windscherung liefern vom Strahl 4 abgeleitete Informationen aktuelle Informationen bezüglich der Position und Größe der Mikroburst-Windscherung. Diese Informationen werden geliefert, bis die Windscherungsgröße bis zu einem Punkt abschwächt, wo sie keine Gefahr mehr darstellt.
• Während die Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte verstanden werden, daß die verwendeten Begriffe beschreibende Begriffe sind und nicht als einschränkend auszulegen sind, und daß Änderungen innerhalb des von den angehängten Ansprüchen betroffenen Bereichs gemacht werden können, ohne die wahre Tragweite und den Geist der Erfindung in deren breiteren Aspekten zu verlassen.
• Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Umfangs solcher Elemente dar, die beispielsweise durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims (13)

1. Verfahren zum Vorhersagen von Wetterstörungen, das den Schritt der Lieferung von Radarüberwachung über einen Elevationswinkelbereich durch eine Mehrzahl azimutal abtastender Radarstrahlen (1-4) umfaßt, wobei jeder Strahl die Radarüberwachung in einem jeweiligen Elevationswinkelsektor in dem Winkelbereich liefert, sowie den Schritt der Verarbeitung von Radarsignalechos, um in jedem Radarstrahl erzeugte Doppler- Spektrum-Parameter zu schätzen und um das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen meteorologischer Streuer jedem Strahl zu schätzen, dadurch gekennzeichnet, daß es darüber hinaus folgende Schritte einschließt:

Verwendung (18-3, 18-5) der Doppler-Spektrum-Parameter und des durchschnittlichen Reflexionsvermögens, um jeweils die vertikale Geschwindigkeit der meteorologischen Streuer und die vertikale Geschwindigkeit in bewegungsloser Luft der meteorologischen Streuer zu schätzen;

Verarbeitung (18-6) der vertikalen Geschwindigkeit und der vertikalen Geschwindigkeit in bewegungsloser Luft, um die vertikale Windgeschwindigkeit zu errechnen; und

Verwendung (19) der vertikalen Windgeschwindigkeit und des durchschnittlichen Reflexionsvermögens, um das Auftreten eines Mikrobursts vorherzusagen.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darüber hinaus folgende Schritte einschließt:

Vergleichung (17) der Doppler-Spektrum-Parameter und des durchschnittlichen Radarreflexionsvermögens einer Radarazimutabtastung mit entsprechenden Doppler-Spektrum-Parametern und entsprechendem durchschnittlichem Radarreflexionsvermögen, die für mindestens eine vorherige Azimutabtastung gewonnen wurden, um räumliche und zeitlich Differenzen abzuleiten;

Vergleichung (17) der räumlichen und zeitlichen Differenzen mit jeweiligen vorherbestimmten räumlichen und zeitlichen Differenzschwellen und Erzeugung eines Auslösersignals für jede räumliche und zeitliche Differenz, die ihre Differenzschwelle übersteigt,

Kopplung der Auslösersignale, um ein Prozessor-Mittel (18) freizugeben, wenn mindestens ein Auslösersignal erzeugt wird; und

Verarbeitung (19) der Doppler-Spektrum-Parameter und des durchschnittlichen Reflexionsvermögens, um vorherzusagen, ob ein Mikroburst-Vorbote vorliegt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radarsignal-Verarbeitungs-Schritt folgende Schritte einschließt:

Schätzung (15) der durchschnittlichen Dopplerfrequenz;

Schätzung (15) der Spektrum-Asymmetrie; und

Schätzung (15) der Spektralbreite des Dopplerspektrums;

wobei die durchschnittliche Dopplerfrequenz, die Spektrum-Asymetrie, und die Spektralbreite die Doppler-Spektrum- Parameter umfassen;

und dadurch, daß der Verwendungsschritt die Doppler-Spektrum-Parameter verwendet, um die horizontale Windgeschwindigkeit zu schätzen.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Doppler-Spektrum-Parameter und das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen verwendende Schritt folgende Schritte einschließt:

Schätzung (18-3) der vertikalen Geschwindigkeit der meteorologischen Streuer an Hand der Doppler-Spektrum-Parameter;

Schätzung (18-5) der vertikalen Geschwindigkeit in bewegungsloser Luft der meteorologischen Streuer an Hand des durchschnittlichen Radarreflexionsvermögens, und

Subtraktion (18-6) der vertikalen Geschwindigkeit in bewegungsloser Luft von der vertikalen Geschwindigkeit zur Schätzung der vertikalen Windgeschwindigkeit.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Doppler-Spektrum-Parameter und das durchschnittliche Reflexionsvermögen verwendende Schritt darüber hinaus folgende Schritte einschließt:

Schätzung (19-2) von Positionsparametern der vertikalen Windgeschwindigkeit an Hand von Radarentfernungs-Informationen und der Radarstrahlstellung;

Kopplung der Positionsparameter an ein Räumliches-Ausmaß- Mittel (18-10) zur Bestimmung des räumlichen Ausmaßes der vertikalen Windgeschwindigkeit,

Vergleichung (18-10) des räumlichen Ausmaßes mit einem vorherbestimmten, mit einem Mikroburst assoziierten räumlichen Ausmaß, und Lieferung eines Freigabesignals, wenn das räumliche Ausmaß das vorherbestimmte räumliche Ausmaß übersteigt,

Kopplung des Freigabesignals an ein Gatter-Mittel (18-8), und

Kopplung der vertikalen Windgeschwindigkeit, der horizontalen Windgeschwindigkeit, des durchschnittlichen Radarreflexionsvermogens und der Positionsparameter über das Gatter-Mittel an Windscherungsvorhersagungs- und Verfolgungs-Mittel (19, 20), zur Lieferung der Zeit bis zum Aufschlagen des Mikrobursts, der Oberflächenposition und des Weges vorhergesagter Windscherung sowie der vorhergesagten Größe der Windscherung.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der das Doppler-Spektrum und das Radarreflexionsvermögen verwendende Schritt darüber hinaus folgende Schritte einschließt:

Vergleichung (17) des durchschnittlichen Reflexionsvermögens mit einem mit einem Mikroburst assoziierten Reflexionsvermögenswert;

Lieferung eines ersten Freigabesignals an ein erstes Gatter-Mittel (16), wenn das durchschnittliche Reflexionsvermögen das mit einem Mikroburst assoziierte Reflexionsvermögen übersteigt,

Kopplung der Doppler-Spektrum-Parameter über das erste Gatter-Mittel an ein Prozessor-Mittel (18);

Vergleichung (18-6) der vertikalen Windgeschwindigkeit mit einer vorherbestimmten, mit einem Mikroburst assoziierten vertikalen Windgeschwindigkeit und Lieferung eines zweiten Freigabesignals an ein zweites Gatter-Mittel (18-9), wenn die vertikale Windgeschwindigkeit die vorherbestimmte vertikale Windgeschwindigkeit übersteigt, und

Kopplung der Positionsparameter über das zweite Gatter- Mittel an das Räumliche-Ausmaß-Mittel.

7. Vorrichtung zum Vorhersagen von Wetterstörungen, die ein Überwachungs-Mittel (11) zur Lieferung von Radarüberwachung mittels einer Mehrzahl Radarstrahlen (1-4) umfaßt, wobei jeder Strahl die Radarüberwachung in einem jeweiligen Elevationswinkelsektor liefert, und die ein Schätzungs-Mittel (15) umfaßt, das an das Überwachungs-Mittel gekoppelt ist und auf Radarsignalechos reagiert, zur Lieferung von Signalen, die für in jedem Radarstrahl erzeugte Doppler-Spektrum-Parameter repräsentativ sind, und von Signalen, die für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen meteorologischer Streuer in jedem Radarstrahl repräsentativ sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus folgendes umfaßt:

Verarbeitungs-Mittel (18) einschließlich Geschwindigkeits-Mittel (18-3, 18-5, 18-6), die auf die für die Doppler- Spektrum-Parameter repräsentativen Signale und die für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentativen Signale reagieren, zur Lieferung von Signalen, die für die vertikale Geschwindigkeit der meteorologischen Streuer repräsentativ sind, und von Signalen, die für die vertikale Geschwindigkeit in bewegungsloser Luft der meteorologischen Streuer repräsentativ sind, sowie einschließlich eines Wind-Mittels (18-6), das auf die für die vertikale Geschwindigkeit repräsentativen Signale und auf die für die Geschwindigkeit in bewegungsloser Luft repräsentativen Signale reagiert, zur Lieferung von Signalen, die für die vertikale Windgeschwindigkeit repräsentativ sind; und

Vorhersagungs-Mittel (19), das auf die für die vertikale Windgeschwindigkeit repräsentativen Signale und auf die für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentativen Signale reagiert, zum Vorhersagen, ob ein Mikroburst vorliegt.

8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie darüber hinaus folgendes umfaßt:

Speicher-Mittel (16), das an das Schätzungs-Mittel gekoppelt ist, zur Speicherung der für die Doppler-Spektrum-Parameter repräsentativen Signale und der für das durchschnittliche Reflexionsvermögen repräsentativen Signale;

Vergleichungs-Mittel (15f) zur Vergleichung der für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentativen Signale mit einem für einen bestimmten Reflexionsvermögenswert repräsentativen Signal und Lieferung eines Freigabesignals an das Speicher-Mittel, wenn das für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentative Signal das für das vorherbestimmte Reflexionsvermögen repräsentative Signal übersteigt,

Nachweis-Mittel (17), das an das Speicher-Mittel und an das Verarbeitungs-Mittel gekoppelt ist, zur jeweiligen Vergleichung von für die Doppler-Spektrum-Parameter repräsentativen Signalen und für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentativen Signalen einer Radarazimutabtastung mit entsprechenden für die Doppler-Spektrum-Parameter repräsentativen Signalen und für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentativen Signalen, die für mindestens eine vorherige Abtastung gewonnen wurden, um räumliche und zeitliche Differenzen abzuleiten und zur jeweiligen Vergleichung der räumlichen und zeitlichen Differenzen mit vorherbestimmten räumlichen und zeitlichen Differenzen, Erzeugung eines Auslösersignals für jede räumliche und zeitliche Differenz, die ihre Differenzschwelle übersteigt, und Kopplung eines Freigabesignals an das Verarbeitungs-Mittel, wenn mindestens ein Auslöser erzeugt wird.

9. Eine Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verarbeitungs-Mittel drüber hinaus Positions-Mittel (18-2, 18-4) einschließt, die auf Signale reagieren die für Radarentfernung und Radarstrahlstellung repräsentativ sind, zur Lieferung von Signalen, die für die Mikroburst-Aufschlagsposition repräsentativ sind.

10. Eine Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeits-Mittel (18-3) darüber hinaus Signale liefert, die für die horizontale Geschwindigkeit der meteorologischen Streuer repräsentativ sind, wobei die horizontale Geschwindigkeit der meteorologischer Streuer der horizontalen Windgeschwindigkeit gleicht, und dadurch, daß das Verarbeitungs-Mittel darüber hinaus folgendes einschließt:

Räumliches-Ausmaß-Mittel (18-10), das an das Positions- Mittel gekoppelt ist, zur Schätzung des räumlichen Ausmaßes des vertikalen Windes und zur Lieferung eines Freigabesignals, wenn das räumliche Ausmaß einem vorherbestimmten räumlichen Ausmaß ungefähr gleicht;

Gatter-Mittel, das am Geschwindigkeits-Mittel und am Positions-Mittel gekoppelt ist und so gekoppelt ist, daß es die für das durchschnittliche Radarreflexionsvermögen repräsentativen Signale empfängt und das auf das Freigabesignal vom Räumlichen-Ausmaß-Mittel reagiert, zur Lieferung an das Vorhersagungs- Mittel der für die vertikale Position repräsentativen Signale, der für den vertikalen Wind repräsentativen Signale, der für den horizontalen Wind repräsentativen Signale und der für das durchschnittliche Reflexionsvermögen repräsentativen Signale.

11. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Schätzungs-Mittel gelieferten Doppler- Spektrum-Parameter die durchschnittliche Doppler-Geschwindigkeit, Spektralbreite und Spektrum-Asymmetrie sind.

12. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Radarstrahlen 3 an der Zahl sind, mit Strahlenbreiten θ1, θ2 und θ3, wobei die Strahlenbreiten die folgenden Beziehungen haben:

13. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungs-Mittel ein Empfänger-Mittel (13) zur Lieferung von I- und Q-Komponenten von Radarecho-Signalen einschließt, wobei die I-Komponente mit einem Referenzsignal in Phase ist und die Q-Komponente mit dem Referenzsignal in Quadratur ist und wobei das Schätzungs-Mittel folgendes umfaßt:

ein Mittel (15-1), das so gekoppelt ist, daß es die I- und Q-Komponenten von Radarsignalechos empfängt, zur Lieferung eines Durchschnitts skalarer Produkte ausgewählter Paare von empfangenen Radarsignalechos, wobei jedes Paar ein erstes und ein zweites Signal aufweist, wobei ein skalares Produkt eines ausgewählten Radarsignalechopaares eine Summe von Produkten von I-Komponenten und Q-Komponenten von Signalen im ausgewählten Paar ist,

ein Mittel (15-2), das so gekoppelt ist, daß es die I- und Q-Komponenten von Radarsignalechos empfängt, zur Lieferung eines Durchschnitts vektorieller Produkte der ausgewählten Paare von empfangenen Radarsignalechos, wobei ein vektorielles Produkt eines ausgewählten Radarsignalechopaares eine Summe von Produkten ist, die gebildet werden, indem man die I-Komponente des ersten Signals im ausgewählten Paar mit der Q-Komponente des zweiten Signals im ausgewählten Paar multipliziert wird und die Q-Komponente des ersten Signals im ausgewählten Paar mit der I- Komponente des zweiten Signals im ausgewählten Paar multipliziert wird;

ein Mittel (15-4), das an das Skalar-Produkt-Mittel und an das Vektor-Produkt-Mittel gekoppelt ist und auf den Durchschnitt der skalaren Produkte eines ersten Satzes ausgewählter Paare von Dopplersignalechos und auf den Durchschnitt der vektoriellen Produkte eines zweiten Satzes ausgewählter Paare von Dopplersignalechos reagiert, zur Lieferung der mittleren Dopplergeschwindigkeit und Dopplerspektrum-Asymmetrie;

ein Mittel (15-5), das an das Skalar-Produkt-Mittel und an das Vektor-Produkt-Mittel gekoppelt ist und auf den Durchschnitt der vektoriellen Produkte des ersten Satzes ausgewählter Paare und auf den Durchschnitt der skalaren Produkte des zweiten Satzes ausgewählter Paare reagiert, zur Lieferung der Dopplergeschwindigkeits-Spektralbreite.