FI78568C - Radarpolarimeter. - Google Patents

Description

1 78568

Tutkapolarimetri

Keksintö koskee tutkatekniikkaa, nimenomaan säätut-kaa, ja erityisesti tutkapolarimetrejä.

5 Keksintöä voidaan hyödyntää parhaiten pilvien ja sateen mikrofysikaalisten ominaisuuksien analysoinnissa tutkipolarointimenetelmillä myrskyvaroituksen, raevahin-kojen estämisen, sädemäärän mittaamisen ynnä muun ollessa kyseessä.

10 Polarointimenetelmiä voidaan käyttää meteorologias sa määritettäessä jääkiteiden ja raehiukkasten esiintymistä, arvioitaessa pisaroiden keskimääräistä kokoa ja todettaessa monia muita vastaavia olosuhteita, jotka liittyvät pilviin ja sateeseen. Tätä varten on käytettävä polarimet-15 riä, joka mahdollistaa depolaroitumisen, heijastuvuuden ja differentiaaliheijastuvuuden mittaamisen nopeasti ja tehokkaasti mainittujen tietojen näkyessä tällöin tutkan kuvaputkissa.

Käytännön tilanteissa käyttäjän on vaikea määrittää 20 pilven kehitysvaihetta, koska hänen käytettävänään on suuri määrä parametrejä. Sen vuoksi polarimetri on varustettava logiikkayksiköllä, joka esittää tutkan kuvaputkessa rakeiden muodostumispaikat, suuria pisaroita käsittävät kohdat pilvessä tai muita parametrejä tunnistusalgoritmistä riip-25 puen.

Jo ennestään tunnetaan polarimetri säätutkaa varten tutkasignaalin polarointi parametrien määrittämiseksi. Tutka käsittää sarjaan kytketyn yksikön, joka muuttaa säteil-tyjen ja vastaanotettujen sähkömagneettisten aaltojen pola-30 roinnin, kaksi logaritmivastaanotinta, joissa on yksikanavaiset, niiden ulostuloihin yhdistetyt integraattorit mainittujen integraattorien ulostulojen ollessa yhdistetty piir-tureihin. Polaroinnin muutosyksikössä vastaanotettu aalto jakautuu kahdeksi pystysuoraksi komponentiksi, ja piirturi 2 78568 rekisteröi sen, kun se on vahvistettu vastaanottimissa ja sen keskiarvo määrätty esiasetusalueella.

Tutkittavan kohteen polarointiparametrit voidaan laskea vasta sitten, kun piirturin kortit on käsitelty.

5 Näin saatuja tietoja ei siis voida saada käyttöön välittömästi, koska niiden käsittely vie huomattavasti aikaa siitä huolimatta, että sitä sovelletaan vain yhteen pisteeseen. Lisäksi mittausten tarkkuus on riittämätön, koska vastaanotetun signaalin koko dynaaminen alue rekisteröikö dään piirturin korttiin. Puheena olevan polarimetrin toinen epäkohta on, että saatujen tietojen käsittelyä varten joudutaan käyttämään lisähenkilökuntaa.

Toinen aikaisempi polarimetri käsittää sarjaan yhdistetyn yksikön säteiltyjen ja vastaanotettujen sähkömag-X5 neettisten aaltojen polaroinnin muuttamiseksi, logaritmi-vastaanottimen, videosignaalikytkimen, integraattoreita ja depolarointimittarin sisääntuloon yhdistetyn vähennysyksi-kön. Lähettimen synnyttämien sähkömagneettisten värähtelyjen energia säteilee polaroinnin ollessa jatkuvaa. Kohtees-20 ta heijastuneet sähkömagneettiset aallot tulevat polaroinnin muutosyksikköön, jossa pölarointi muuttuu vuorotellen ottamaan vastaan yhdensuuntaista tai kohtisuoraa polaroin-tia tasatahdissa liipaisupulssien kanssa. Polaroinnin muu-tosyksikön ulostulosta signaali tulee logaritmivastaanotti-25 meen ulostulojännitteen ollessa tällöin verrannollinen syöt-tötehon logaritmiin. Tämä tilanne mahdollistaa yhteenlaskuja vähennysyksiköiden käyttämisen sitten tapahtuvaan signaalien kertomiseen tai jakamiseen. Videosignaalikytkin toimii synkronisesti polaroinnin vaihtokytkimen kanssa niin, 30 että jännite, joka on verrannollinen kaikusignaalin yhdensuuntaiseen säteiltyyn komponenttiin, esiintyy muutosyksikön ulostuloon yhdistetyssä toisessa integraattorissa ja kohtisuoraan komponenttiin verrannollinen jännite syntyy toisessa integraattorissa. Tästä johtuen integraattoreihin yhdis-35 tetyn vähennysyksikön ulostulossa oleva jännite on verran- 3 78568 nollinen kaikusignaalin kohtisuorien komponenttien poikkeamaan. Näin ollen vähennysyksikön ulostuloon yhdistetty piirturi rekisteröi depolarointiarvon.

Mainittua polarimetriä käyttämällä mitattu depola-5 rointiarvo on virheellinen, koska sellaisilla alueilla, joissa kohtisuora komponentti on pienempi kuin vastaanottimen häiriötaso, se vähennetään peruskomponenttisignaalista, mikä aiheuttaa depolarointiarvon virheellisen mittaamisen. Lisäksi, kun lähetykseen käytetään jatkuvaa polarointia, pu-10 heena oleva polarimetri ei saa sellaista tärkeää parametriä kuin differentiaaliheijastuvuus. Lisäksi monet muut erikoistehtävät vaativat, että tutkittavien kohteiden heijastuvuus mitataan suurella tarkkuudella, mikä edellyttää tutkan jännitteen tarkistuslaitteen yhdistämistä mainittuun ai-15 kaisempaan polarimetriin.

Käsiteltävän keksinnön eräänä tavoitteena on saada aikaan sellainen tutkipolarimetri, joka mahdollistaa pilvien ja sateen mikrofysikaalisten ominaisuuksien määrittämisen suuremmalla tarkkuudella mittaamalla sääkohteista 20 heijastuneiden tutkasignaalien lisäparametrejä.

Edellä mainittuun tavoitteeseen päästään kehittämällä tutkaa varten ainakin yhden taajuuskanavan käsittävä polarimetri, jossa on seuraavat sarjaan kytketyt elementit: yksikkö säteiltyjen ja vastaanotettujen sähkömagneettisten 25 aaltojen polaroinnin muuttamiseksi, logaritmivastaanotin, videosignaalikytkin, jonka ulostulojen lukumäärä riippuu mitattavien polarointiparametrien lukumäärästä, ja integ-raattorit, joiden sisääntulot on yhdistetty kytkimen ulostuloihin ja joiden ulostulot on yhdistetty piirturiin liit-30 tyvien vähennysyksiköiden sisääntuloihin, keksinnön mukaisen laitteen käsittäessä ainakin kaksi kynnysyksikköä, joista toinen on yhdistetty vähennysyksikön ulostuloon ja toinen toisen integraattorin ulostuloon ja jotka muodostavat yhdessä sarjaan kytkettyjen polarimetriyksiköiden kanssa koh-35 teen tunnistuskanavan kanavan kynnysyksiköiden lukumäärän 4 78568 riippuessa tunnistusparametrien määrästä ja kanavien lukumäärän tutkan taajuuskanavien lukumäärästä, ja myös koinsi-denssipiirin, jonka sisääntulot on yhdistetty kynnysyksi-köiden ulostuloihin ja jonka ulostulot on yhdistetty tut-5 kan piirturiin. Näin on mahdollista suorittaa erottelu tutkittavien pilvien kide- ja pienpisara-alueiden välillä, havaita niin sanotun "matalan konvektion" vyöhykkeet ilmakerroksissa ja arvioida sadepisaroiden keskimääräinen koko.

On edullista, että tutkapolarimetri käsittää tutkan 10 jännitteen tarkistuslaitteen, jonka ulostulo on yhdistetty ingegraattoriin liittyvän kynnysyksikön sisääntuloon.

Tämä järjestely tarjoaa mahdollisuuden sade- ja rae-pilvien havaitsemiseen käyttämällä po1arointimenetelmää, joka liittyy raealttiiden pilvien havaitsemiseen.

15 Ehdotettua tutkapolarimetriä selostetaan nyt yksi tyiskohtaisemmin viittaamalla sen erikoisrakenteisiin, jotka liittyvät oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 on toimintakaavio keksinnön mukaisesta yksikanavaisesta polarimetristä, 20 kuvio 2 esittää toimintakaaviota keksinnön mukaises ta monikanavaisesta polarimetristä, ja kuvio 3 esittää toimintakaaviota keksinnön mukaisesta yksikanavaisesta polarimetristä, jossa on tutkan jännitteen tarkistuslaite, 25 Lisäksi viitataan sekä yksi- että monikanavaisiin polarimetreihin.

Ehdotettu yksikanavainen tutkapolarimetri käsittää lähettimen 1 (kuv. 1), joka on yhdistetty antennikytkimellä 2 yksikköön 3 säteiltyjen ja vastaanotettujen sähkömagneet-30 tisten aaltojen polaroinnin muuttamiseksi, yksikön 3 ollessa puolestaan yhdistetty antennikytkimellä 2 logaritmivastaanottimeen 4, jonka ulostulo on yhdistetty integraattorei-hin 6 ja 7 liittyvään videosignaalikytkimeen 5.

Polarimetrissä on kaksi kynnysyksikköä 9 ja 10. Yk-35 sikkö 9 on yhdistetty vähennysyksikköön 8 depolarointiar- 5 78568 voon liittyen ja yksikkö 10 on yhdistetty integraattoriin 7 kohtisuoraan komponenttiin liittyen, jolloin muodostuu kohteen tunnistuskanava, joka käsittää yksikön 3, vastaanottimen 4, kytkimen 5, integraattorit 6 ja 7, vähennysyksi-5 kön 8 ja kynnysyksiköt 9 ja 10.

Kynnysyksiköiden 9 ja 10 ulostulot on yhdistetty ko-insidenssipiiriin 11, jonka ulostulo on yhteydessä esitettyyn piirturiin 12, esimerkiksi tutkan kuvaputken avulla.

Edellä kuvattu polarimetri toimii seuraavasti: 10 Kun lähettimen 1 synnyttämät sähkömagneettiset vä rähtelyt ovat menneet antennikytkimen läpi, niiden säteily tapahtuu käyttäjän valitsemalla polaroinnilla polaroinnin muutosyksikön 3 avulla. Sääkohteista heijastuneina polaroinnin muutosyksiköstä 3 tulevat sähkömagneettiset aallot 15 jakautuvat kahdeksi komponentiksi, joista toinen on yhdensuuntainen ja toinen kohtisuora säteiltyyn aaltoon nähden.

Vastaanotetun aallon komponentit tulevat logaritmi-vastaanottimeen 4 antennikytkimen 2 kautta ja vastaanottimen ulostulosta videosignaalikytkimeen 5 tahdistettuina po-20 laroinnin muutoskytkimen 3 avulla; videosignaalikytkin 5 yhdistää integraattorit 6 ja 7 sarjana vastaanottimen 4 ulostuloon niin, että yhdensuuntaiskomponentin tehoon verrannolliset videosignaalit kerääntyvät ingegraattoriin 6, ja ne videosignaalit, jotka ovat verrannolliset heijastuneen sig-25 naalin kohtisuoran komponentin tehoon, kerääntyvät integraattoriin 7. Koska käytetään logaritmivastaanotinta, vä-hennysyksikön 8 ulostulossa oleva signaali on verrannollinen depolarointiarvoon, toisin sanoen kohtisuoran ja peruskomponentin välisen tehon suhteeseen.

30 Kynnysyksikkö 9 toimii heti, kun depolarointiarvo ylittää valitun tunnistusalgoritmin määräämän esiasetus-tason.

Kohtisuoran komponentin integraattoriin 7 yhdistetty kynnysyksikkö 10 toimii silloin, kun kohtisuoran komponen-35 tin arvo ylittää vastaanottimen häiriötason. Tämä on väittä- 78568 e mätöntä, jotta pystytään estämään polarimetrin virheellinen toiminta niillä sääkohteiden alueilla, joissa kohtisuoran komponentin teho on häiriötasoa pienempi, ja vähen-nysyksikön 8 ulostulossa oleva signaali on verrannolli-5 nen yhdensuuntaiskomponentin tehon ja vastaanottimen 4 häiriötason väliseen suhteeseen. Kynnysyksiköiden 9 ja 10 ulostulot on yhdistetty koinsidenssipiiriin 11, jonka ulostulossa on signaali, mikäli depolarointiarvo ylittää esiase-tuskynnyksen (kynnysyksikkö 9 on toiminut), ja virheelli-10 nen toiminta estyy kohtisuoran komponentin puuttuessa (kynnysyksikkö 10 on toiminut). Vastaanotin 12 ottaa siis vastaan tutkittavaa sääkohdetta koskevan signaalin voimakkaan depolaroinnin käsittävän alueen ollessa tällöin kysymyksessä.

Näin ollen edellä kuvattu järjestely muodostaa kana-15 van sääkohteen tunnistamiseksi sen depolarointiarvon avulla.

Pilvien ja sateen mikrofysikaallsten ominaisuuksien yksityiskohtaisempaa tutkimista varten käytetään monia muita polarointiparametrejä, esimerkiksi differentiaaliheijas-tuvuutta ja depolaroinnin vertailuarvoja säteilevän sähkö-20 magneettisen aallon kohtisuoran ja vaakasuoran polaroinnin kanssa ja myös sääkohteiden tutkaheijastuvuuden arvoa.

Mittaamalla differentiaaliheijastuvuuden arvo pystytään määrittämään sadepisaroiden keskimäärinen koko, kun taas differentiaaliheijastuvuuden ja depolaroinnin yhdis-25 telmän avulla on helpompi erottaa sade- ja raepilvet ja niiden vastaavat ominaisuudet.

Edellä mainittujen parametrien mittaamiseksi ehdotetussa polarimetrissä on lisäintegraattorit 6' ja 7', lisä-vähennysyksiköt 8' ja 8" ja myös lisäkynnysyksiköt 9', 9" 30 ja 1Q', jotka on yhdistetty samoihin integraattoreihin 6 ja 7 kuin yksiköiden 8-10 ollessa kysymyksessä. Tunnistus-algoritmista riippuen käyttäjä pystyy samanaikaisesti arvioimaan tutkasignaalin useita parametrejä ja paikantamaan ne alueet, joilla on erityisiä mikrofysikaalisia ominaisuuk-35 siä tutkittavassa pilvessä.

7 78568

Ehdotettu monikanavainen tutkapolarimetri (kuv. 2) käsittää sääkohteen tunnistamista varten kaksi tai useampia samanlaisia kanavia, kuin kuvassa 1, jotka poikkeavat niistä kuitenkin siinä suhteessa, että niiden lähettimet 5 1 ja 1', antennikytkimet 2 ja 2', polaroinnin muutosyksi- köt 3 ja 3' ja vastaanottimet 4 ja 4' toimivat erilaisilla taajuusalueilla ja sisältyvät yhteiseen koinsidenssipiiriin 11, josta tuleva signaali syötetään tutkapiirtimeen 12.

Kun monikanavaisen polarimetrin heijastuneita sig-10 naaleja verrataan eri aallonpituuksilla, on mahdollista välttää lukuisia virheitä, kun käytetään hyväksi toisaalta depolarointi- ja heijastuvuusarvojen välistä riippuvuutta ja toisaalta taajuutta. Kun raealueet erotellaan polarointi-menetelmällä, niin esimerkiksi kiteisissä pilvien yläosis-15 sa on suuri depolarointiaste, mikä aiheuttaa todennäköisesti virheellisen kohdemäärityksen monissa tapauksissa. Käytettäessä toista kanavaa tämä virhe voidaan eliminoida, koska hydrometeorien (pieniä hiukkasia) heijastuvuus muuttuu käänteissuhteessa neljänteen taajuusasteeseen nähden; 20 näin ollen toisen tutkakanavan toimiessa 3 cm aallonpituudella ja toisen kanavan 10 cm aallonpituudella lumen heijas- 2 tuvuus toiseen kanavaan on 10 kertoimen suuruinen, mikä estää mahdolliset virheet.

Monissa tapauksissa, kun polarointimenetelmää käy-25 tetään pilvien raevaaran määrittämiseen, on välttämätöntä erottaa samanaikaisesti esiasetusdepolarointivyöhyke ja heijastuvuus molempien arvojen määrittämisen tapahtuessa suurella tarkkuudella. Tutkan potentiaali (lähettimen teho, vastaanottimen herkkyys ja vastaavat) voi vaihdella toimin-30 nan aikana.

Jos tutkan potentiaalin muutokset eivät vaikuta vastaavien arvojen, esimerkiksi depolaroinnin ja differentiaa-liheijastuvuuden, mittaustarkkuuteen, heijastuvuuden tarkka mittaaminen vaatii, että kaikki potentiaalin muutokset re-35 kisteröidään asiaan kuuluvalla tavalla. Tätä varten ehdotet- 8 78568 tu ja kuvassa 3 esitetty polarimetri onkin varustettu tutkan potentiaalin tarkistuslaitteella 13, jonka suurtaa-juussisääntulo on yhdistetty lähettimeen 1 ja suurtaajuus-ulostulo on yhdistetty vastaanottimen 4 sisääntuloon, tar-5 kistuslaitteen 13 suurtaajuussignaali, joka on verrannollinen lähettimen 1 tehoon, syötetään tarkistuslaitteen 13 sisääntuloon, kun se on vahvistettu vastaanottimessa 4, ja kun se on käsitelty, se muodostaa ulostuloon jännitteen, joka on verrannollinen tutkan potentiaaliin ja joka syöte-10 tään kynnysyksikön 10 sisääntuloon kynnysjännitteenä. Näin ollen tutkan potentiaalin muutos aiheuttaa samanaikaisesti muutoksen kynnysyksikön 10 sisääntulossa olevassa signaalissa ja vastaavan muutoksen kynnysjännitteeseen, jolloin eliminoidaan virhe heijastuvuusarvoa mitattaessa.

15 Käytettäessä ehdotettua tutkapolarimetriä pystytään tutkittavien pilvien ja sateen mikrofysikaalisten ominaisuuksien erottelua parantamaan huomattavasti. Kun käytetään polarointimenetelmää sade- ja raepilvien havaitsemiseen, tulee esimerkiksi tähän tarvittavien pilvien määrä 20 paljon pienemmäksi, mistä johtuen ne laitteet, joilla pilveen syötetään tietty reagenssi, saadaan taloudellisemmiksi ja viljelysmaa pystytään suojaamaan paremmin raevahingolta. Käytettäessä ehdotettua polarimetriä pilvien mikrofysikaalisten ominaisuuksien määrittämiseen sademäärän lisäämistä 25 varten on helppo erotella niin sanotun "matalan konvektion" vyöhykkeet, mikä on välttämätöntä, jotta pystytään valitsemaan oikein se paikka, jossa pilveen vaikutetaan, ja arvioimaan tällaisen toiminnan tehokkuus.

Käytettäessä ehdotettua polarimetriä tutkan toimies-30 sa myrskyvaroitusjärjestelmässä pystytään lisäämään lentoturvallisuutta, koska ne alueet, joilla on hyvin voimakas sähkökenttä pilvissä, synnyttävät heijastuneen signaalin, jolla on suuri depolarointiaste, ja koska laitteen käyttäjä havaitsee ne ja pystyy näin ollen torjumaan ajoissa sen 35 vaaran, että lentokone joutuu sähköpurkauksen kohteeksi.

Claims (2)

9 78568

1. Vähintään yhden taajuuskanavan käsittävä tutka-polarimetri, jossa on seuraavat, sarjaan kytketyt elemen- 5 tit: yksikkö (3) säteiltyjen ja vastaanotettujen sähkömagneettisten aaltojen polaroinnin muuttamiseksi, logaritmi vastaanotin (4), videosignaalikytkin (5), jonka ulostulojen lukumäärä riippuu mitattavien polarointiparamet-rien lukumäärästä, integraattorit (6, 7), joiden sisään-10 tulot on yhdistetty kytkimen (5) ulostuloihin ja joiden ulostulot on yhdistetty piirturiin (12) liittyvien vähennys-yksiköiden (8) sisääntuloihin, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin kaksi kynnysyksikköä (9, 10), joista toinen on yhdistetty vähennysyksikön (8) ulostuloon ja 15 toinen toisen integraattorin (7) ulostuloon ja jotka muodostavat yhdessä sarjaan kytkettyjen polarimetriyksiköiden kanssa kohteen tunnistuskanavan, kanavan kynnysyksiköiden lukumäärän riippuessa tunnistusparametrien määrästä ja kanavien määrän riippuessa tutkan taajuuskanavien määrästä, 20 ja siitä, että siinä on myös koinsidenssipiiri (11), jonka sisääntulot on yhdistetty kynnysyksiköiden ulostuloihin ja jonka ulostulo liittyy tutkan piirturiin (12).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polarimetri, tunnettu siitä, että siinä on tutkan potentiaalin 25 tarkistuslaite (13), jonka ulostulo on yhdistetty integraat-toriin (7) liittyvän kynnysyksikön (10) sisääntuloon.