RU222061U1 - Метеорологическое радиолокационное устройство для обнаружения полярных мезоциклонов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области метеорологии и может быть использована в системах метеонаблюдения и прогноза погоды. Техническим результатом полезной модели является уменьшение количества дополнительных элементов метеорологического радиолокационного устройства при высоком качестве получаемых первичных и вторичных радиолокационных данных, достаточном для принятия достоверного решения об обнаружении полярных мезоциклонов (ПМЦ). Метеорологическое радиолокационное устройство для обнаружения полярных мезоциклонов дополнительно содержит квадратичный детектор, вход которого подключен к выходу приёмного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, выход – к входам блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации. Блок вычисления, отображения и передачи метеорологической информации выполнен с возможностью подключения информационного выхода метеорологического радиолокатора метрового диапазона длин волн, содержащего результаты измерения отражаемости в зависимости от направления внутри зоны радиолокационного обзора. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области метеорологии и может быть использована в системах метеонаблюдения и прогноза погоды.

Известны различные варианты реализации систем радиолокационного наблюдения для решения метеорологических задач, в том числе для решения задач обнаружения и наблюдения за быстроразвивающимися метеоявлениями: с использованием вращающейся параболической антенны, с использованием неподвижной либо вращающейся фазированной антенной решетки (ФАР), с использованием неподвижной либо вращающейся активной фазированной антенной решетки (АФАР). Такие системы в общем случае включают в себя тракт формирования зондирующих импульсов, подключенный своим выходом к СВЧ входу антенной, подключенной своим СВЧ выходом к входу приемного тракта предварительной обработки сигналов на радиочастоте, подключенного своим выходом к входу приемного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, подключенного своим выходом к входу тракта цифровой обработки сигналов, подключенного своим выходом к входу устройства вычисления, отображения и передачи метеорологической информации. Антенная система может быть выполнена в вариантах с одной либо двумя поляризациями. В случае использования ФАР либо АФАР в системах радиолокационного наблюдения используется управление диаграммной направленности аналоговым либо цифровым способом, для чего в систему дополнительно вводят блок перестройки диаграммы направленности антенной системы и управления узлами метеорологической радиолокационной системы, подключенный своим входом к управляющему выходу устройства вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а своим выходом - к управляющему входу антенной системы с управляемой диаграммой направленности.

Широкое применение известных метеорологических радиолокационных систем позволило существенно улучшить качество метеорологических наблюдений, повысить оправдываемость метеопрогнозов и повысить точность построения метеорологических моделей. Однако развитие метеорологических радиолокационных систем активно продолжается и по сей день, поскольку до сих пор остаются нерешенными целые классы задач метеонаблюдения. Так, крайне важной задачей является обнаружение быстроразвивающихся метеоявлений, таких как торнадо или полярных мезоциклонов (ПМЦ). Применение альтернативных нерадиолокационных средств для этих целей часто может оказаться невозможным: например, в арктической зоне (зоне распространения ПМЦ) отсутствует сплошное круглогодичное покрытие средствами спутникового наблюдения, а в ряде случаев (темное время суток, сплошная облачность) спутниковое наблюдение неприменимо вовсе. Указанные ограничения приводят к тому, что обнаружение ПМЦ с использованием метеоданных, получаемых со спутниковых средств наблюдения, используется в основном в научных целях для изучения полярных мезоциклонов, процесса их зарождения и их жизненного цикла, но не используются для наукастинга - максимально достоверного краткосрочного предсказания погоды. Если же говорить о современных метеорологических радиолокационных системах, то их применение для обнаружения быстроразвивающихся явлений, в частности ПМЦ, ограничено ввиду следующих причин:

неточность косвенных расчетов вторичных радиолокационных метеоданных, связанных с определением содержания влаги - к примеру, заявляется о неточности определения параметра вертикально интегрированной водности VIL (Методические указания по использованию информации доплеровского метеорологического радиолокатора ДМРЛ-С в синоптической практике. Третья редакция. Росгидромет, 2019 г.), крайне важного для определения ряда опасных метеоявлений, в том числе ПМЦ;

низкая оправдываемость обнаружения гроз с использованием метеоданных - в ряде климатических зон она может оказываться на уровне всего около 60%. Так, к примеру, в важном для обнаружения ПМЦ северном регионе оправдываемость составляет 61,5% по опыту эксплуатации метеорадиолокатора ДМРЛ-С (Временные методические указания по использованию информации доплеровского метеорологического радиолокатора ДМРЛ-С в синоптической практике. Росгидромет, 2014 г.).

Из предшествующего уровня техники известны варианты реализации метеорологических радиолокационных систем, в которых предприняты попытки устранения указанных недостатков. Так, наиболее близким к заявляемой полезной модели и принятым в качестве прототипа является техническое решение по патенту RU2339971C2, предполагающее совместное использование метеорологического некогерентного (НМРЛ) или доплеровского радиолокатора (ДМРЛ), радиометра и радиолокатора метрового диапазона радиоволн (РЛС_МЕТР). Недостатком такого технического решения является необходимость использования одновременно нескольких видов дополнительного оборудования (радиометра, РЛС_МЕТР) для измерения дополнительных параметров (VIL, отражаемость в метровом диапазоне длин волн).

Для устранения указанного недостатка поставлена задача разработки метеорологического радиолокационного устройства для обнаружения ПМЦ с высоким качеством получаемых первичных и вторичных радиолокационных данных, достаточным для принятия достоверного решения об обнаружении ПМЦ, и меньшим по сравнению с решением-прототипом количеством дополнительных элементов.

Технический результат достигается тем, что в метеорологическом радиолокационном устройстве для обнаружения полярных мезоциклонов, включающем тракт формирования зондирующих импульсов в X-диапазоне длин волн, подключенный своим выходом к СВЧ входу двухполяризационного антенного блока с управляемой диаграммой направленности, подключенного своим СВЧ выходом к входу приемного тракта предварительной обработки сигналов в X-диапазоне длин волн, подключенного своим выходом к входу приемного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, подключенного своим выходом к входу тракта цифровой обработки сигналов, подключенного своим выходом к входу блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а также блок перестройки диаграммы направленности антенной системы и управления узлами метеорологической радиолокационной системы, подключенный своим входом к управляющему выходу блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а своим выходом - к управляющему входу антенного блока с управляемой диаграммой направленности, но при этом к входам блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации дополнительно подключен выход квадратичного детектора, подключенного своим входом дополнительно к выходу приемного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, и блок вычисления, отображения и передачи метеорологической информации выполнен с возможностью подключения информационного выхода метеорологического радиолокатора метрового диапазона длин волн, содержащего результаты измерения отражаемости в зависимости от направления внутри зоны радиолокационного обзора.

Метеорологическое радиолокационное устройство содержит в своей основе любой современный доплеровский метеорологический радиолокатор (ДМРЛ) с возможностью управления диаграммой направленности, т.е. с фазированной (ФАР) или активной фазированной (АФАР) антенной решеткой. Такой ДМРЛ в общем случае содержит тракт формирования зондирующих импульсов в X-диапазоне длин волн, подключенный своим выходом к СВЧ входу антенного блока с управляемой диаграммой направленности, подключенной своим СВЧ выходом к входу приемного тракта предварительной обработки сигналов в X-диапазоне длин волн, подключенного своим выходом к входу приемного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, подключенного своим выходом к входу тракта цифровой обработки сигналов, подключенного своим выходом к входу блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а также блок перестройки диаграммы направленности антенной системы и управления узлами метеорологической радиолокационной системы, подключенный своим входом к управляющему выходу блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а своим выходом - к управляющему входу антенного блока с управляемой диаграммой направленности.

По аналогии с решением-прототипом, в предлагаемой полезной модели для реализации обнаружения электрических процессов в атмосфере используется измерение отражаемости с метровом диапазоне длин волн, для чего к одному из входов устройства вычисления, отображения и передачи метеорологической информации дополнительно подключен информационный выход метеорологического радиолокатора метрового диапазона длин волн, содержащий результаты измерения отражаемости в зависимости от направления внутри зоны радиолокационного обзора.

Важным отличием предлагаемой полезной модели от решения-прототипа является устранение радиометра, вынесенного в схеме, поясняющей патент RU2339971C2, в отдельный блок. Вместо этого для проведения радиометрических измерений используется тракт формирования зондирующих импульсов в X-диапазоне длин волн ДМРЛ и дополнительно включенный в состав ДМРЛ квадратичный детектор, своим входом подключенный дополнительно к выходу приемного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, а своим выходом - к одному из входов блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации. В таком случае в предлагаемой полезной модели решается задача уменьшения количества блоков по сравнению с решением-прототипом, а необходимые для обнаружения быстроразвивающихся явлений, в том числе ПМЦ, радиометрические измерения, позволяющие измерить VIL, реализуются внутренними аппаратными средствами ДМРЛ.

Подключение квадратичного детектора своим входом дополнительно к выходу приемного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте может быть реализовано любым известным способом, к примеру, с использованием делителя сигнала для разделения сигнала в известной пропорции между входами тракта цифровой обработки сигналов и квадратичного детектора, либо с использованием управляемого переключателя сигналов типа «один вход - два выхода» (Single Pole Double Throw, SPDT).

Полезная модель поясняется чертежом (фиг. 1), на котором показана блок-схема устройства.

В основе метеорологического радиолокационного устройства лежит ДМРЛ 1, работающий в режиме направленного излучения и приема отраженных импульсов для определения направления, расстояния и скорости движения метеообъектов.

Метеорологическое радиолокационное устройство для обнаружения ПМЦ включает тракт 2 формирования зондирующих импульсов в X-диапазоне длин волн, подключенный своим выходом к СВЧ входу двухполяризационного антенного блока 3 с управляемой диаграммой направленности, подключенного своим СВЧ выходом к входу приемного тракта 4 предварительной обработки сигналов в X-диапазоне длин волн, подключенного своим выходом к входу приемного тракта 5 обработки сигналов на промежуточной частоте, подключенного своим выходом к входу тракта 6 цифровой обработки сигналов, подключенного своим выходом к входу блока 7 вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а также блок 8 перестройки диаграммы направленности антенной системы и управления узлами метеорологической радиолокационной системы, подключенный своим входом к управляющему выходу блока 7 вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а своим выходом - к управляющему входу антенного блока 3, к входам блока 7 вычисления, отображения и передачи метеорологической информации дополнительно подключены: выход квадратичного детектора 9, подключенного своим входом дополнительно к выходу приемного тракта 5 обработки сигналов на промежуточной частоте, и информационный выход метеорологического радиолокатора 10 метрового диапазона длин волн, содержащий результаты измерения отражаемости в зависимости от направления внутри зоны радиолокационного обзора.

Излучение импульсов производится с заданным периодом следования импульсов (пачек импульсов), причем данный период следования импульсов заведомо больше максимального расчетного времени ожидания отраженных импульсов для обеспечения некоррелированности измерений от импульса к импульсу. В таком случае для уменьшения времени «простоя» ДМРЛ 1 в случае использования быстроперестраиваемых АФАР с цифровым диаграммообразованием производят быструю перестройку диаграммы направленности для значительного изменения направления главного луча диаграммы направленности. В таком случае некоррелированность измерений от импульса к импульсу обеспечивается не за счет временного разнесения импульсов, а счет их пространственного разнесения.

В предлагаемой полезной модели уменьшение времени «простоя» ДМРЛ 1 во временных промежутках между излучаемыми импульсами предложено реализовать за счет переключения ДМРЛ 1 в режим радиометрического измерения. Для этого в ДМРЛ 1 реализуется встроенный модуляционный радиометр, технически представляющий собой дополнительный измеритель мощности на промежуточной частоте обработки сигналов, в качестве модуляции для которого используется переключение диаграммы направленности. Так, с использованием предлагаемого технического решения обеспечивается возможность измерения уровня мощности на промежуточной частоте при направлении главного лепестка (луча) диаграммы направленности антенной системы в область чистого неба (Солнца) и в заданном направлении обзора. В свою очередь, наличие информации об уровнях мощности при направлении главного лепестка (луча) диаграммы направленности антенного блока 3 в область чистого неба (Солнца) и в заданном направлении обзора позволяет вычислить их отношение в соответствии с радиометрическим методом определения уровня водности в X-диапазоне длин волн. В качестве измерителя мощности предлагается использование квадратичного детектора 9, напряжение на выходе которого пропорционально уровню мощности на его входе.

Такой подход является трудно реализуемым в средних и низких широтах, т.к. Солнце в течение дня поднимается значительно выше максимального значения угла места, на который антенный блок 3 ДМРЛ 1 может направить главный лепесток (луч) диаграммы направленности. Обычно, максимальное значение угла места главного лепестка (луча) диаграммы направленности антенной системы известных ДМРЛ составляет не более 20 град. Однако такое ограничение является несущественным при решении задачи обнаружения ПМЦ, области зарождения и распространения которых находятся в Арктических широтах, где высота подъема Солнца над уровнем горизонта также составляет в районе 20 град. и менее.

В таком случае, для реализации радиометрических измерений после завершения времени ожидания и приема отраженных от метеообъектов импульсов и до окончания периода следования импульсов происходит следующая последовательность действий:

сигнал с выхода приемного тракта 5 обработки сигналов на промежуточной частоте подают на вход квадратичного детектора 9 для измерения шумовой температуры в выбранном направлении;

главный лепесток (луч) диаграммы направленности антенного блока 3 отклоняют в область чистого неба (Солнца), а сигнал с выхода приемного тракта 5 обработки сигналов на промежуточной частоте продолжают подавать на вход квадратичного детектора 9 для измерения шумовой температуры чистого неба;

главный лепесток (луч) диаграммы направленности антенного блока 3 отклоняют в направлении излучения следующего зондирующего импульса, а выход приемного тракта 5 обработки сигналов на промежуточной частоте подают на вход тракта 6 цифровой обработки сигналов для обеспечения приема и обработки следующих импульсов ДМРЛ.

Измеренные таким образом шумовые температуры чистого неба и заданного направления позволяют вычислить VIL без использования дополнительного радиометрического оборудования, чем достигается решение поставленной задачи.

Дополнительный признак предлагаемой полезной модели, заключающийся в возможности подключения РЛС_МЕТР 10, реализуется с использованием дополнительного МРЛ метрового диапазона длин волн, зона радиолокационного обзора которого соответствует или перекрывает зону радиолокационного обзора в X-диапазоне длин волн.

Подключение информационного выхода метеорологического радиолокатора 10 метрового диапазона длин волн к дополнительному входу устройства вычисления, отображения и передачи метеорологической информации может быть реализовано любым известным способом, зависящим от технических возможностей используемого метеорологического радиолокатора метрового диапазона длин волн, физического расстояния до него, возможностей используемого в нем встроенного программного обеспечения. Примером способа подключения информационного выхода метеорологического радиолокатора метрового диапазона длин волн к дополнительному входу блока 7 вычисления, отображения и передачи метеорологической информации является подключение по протоколу Ethernet, реализованному в большинстве известных метеорологических радиолокаторов.

В соответствии с поставленной задачей, блок 7 вычисления, отображения и передачи метеорологической информации с использованием встроенного в него программного алгоритма должно обеспечивать расчет первичных радиолокационных данных, расчет вторичных радиолокационных данных, обнаружение ПМЦ на основе поиска характерных признаков ПМЦ по рассчитанным радиолокационным данным, дополнительное уточнение обнаружения ПМЦ с использованием определения уровня водности (VIL) радиометрическим методом, дополнительное уточнение обнаружения ПМЦ с использованием радиолокационного обзора в метровом диапазоне длин волн в направлении части пространства, соответствующей предварительно обнаруженному ПМЦ.

Для повышения чувствительности радиометрических измерений блок 7 вычисления, отображения и передачи метеорологической информации может включать дополнительные узлы цифровой обработки сигналов, к примеру, цифровой блок синхронного детектирования, позволяющий при совместном с квадратичным детектором 9 использовании повысить чувствительность измерений.

Claims (1)

1. Метеорологическое радиолокационное устройство для обнаружения полярных мезоциклонов, включающее тракт формирования зондирующих импульсов в X-диапазоне длин волн, подключенный своим выходом к СВЧ входу двухполяризационного антенного блока с управляемой диаграммой направленности, подключенного своим СВЧ выходом к входу приёмного тракта предварительной обработки сигналов в X-диапазоне длин волн, подключенного своим выходом к входу приёмного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, подключенного своим выходом к входу тракта цифровой обработки сигналов, подключенного своим выходом к входу блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а также блок перестройки диаграммы направленности антенной системы и управления узлами метеорологической радиолокационной системы, подключенный своим входом к управляющему выходу блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации, а своим выходом - к управляющему входу антенного блока с управляемой диаграммой направленности, отличающееся тем, что к входам блока вычисления, отображения и передачи метеорологической информации дополнительно подключен выход квадратичного детектора, подключенного своим входом дополнительно к выходу приёмного тракта обработки сигналов на промежуточной частоте, и блок вычисления, отображения и передачи метеорологической информации выполнен с возможностью подключения информационного выхода метеорологического радиолокатора метрового диапазона длин волн, содержащего результаты измерения отражаемости в зависимости от направления внутри зоны радиолокационного обзора.