RU2585793C1

RU2585793C1 - Method for determining vertical wind profile in atmosphere

Info

Publication number: RU2585793C1
Application number: RU2015112204/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Вячеславович Стерлядкин; Михаил Александрович Кононов
Original assignee: Виктор Вячеславович Стерлядкин
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2015-04-06
Publication date: 2016-06-10

Abstract

FIELD: meteorology.

SUBSTANCE: invention relates to meteorology and method of determining wind profile in atmosphere. Method includes radiation receiver-transmitter long pulses, recording of reflected signal, obtaining Doppler signal at different heights in different probing directions. Specification of wind speed profile within long section is performed taking into account complete shape Doppler spectra in two or more directions probing, in which the spectrum width is maximum and taking into account attenuation law received power of distance to transceiver.

EFFECT: high sensitivity of measuring system.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к дистанционному зондированию атмосферы, к метеорологии.The invention relates to remote sensing of the atmosphere, to meteorology.

Известен способ определения профиля проекций скоростей на направление измерений, основанный на излучении непрерывного немодулированного излучения на двух длинах волн, с различным ослаблением в среде распространения и получения информации о дальности по отношению спектральных плотностей доплеровского сигналов на этих длинах волн [1]. Этот способ ограничен монотонными зависимостями проекции скорости от дальности. Другим способом является томографический метод определения профиля ветра (по интегральным доплеровским проекциям, полученным вдоль многообразия прямых), описанный в [2], в котором излучается непрерывное немодулированное излучение, регистрируются доплеровские спектры сигнала, рассеянного в обратном направлении, а информацию о высоте Н и соответствующей скорости V получают из полной формы доплеровских спектров, в том числе из сравнения мощности излучения, пришедшего от определенного слоя рассеивателей. Недостатком этого способа является неточность привязки по высоте, особенно сильно проявляющаяся при немонотонных профилях ветра.A known method for determining the profile of the projections of velocities on the direction of measurement, based on the radiation of continuous unmodulated radiation at two wavelengths, with different attenuation in the propagation medium and obtain information about the range in relation to the spectral densities of Doppler signals at these wavelengths [1]. This method is limited by the monotonic dependences of the velocity projection on the range. Another method is the tomographic method for determining the wind profile (from integral Doppler projections obtained along a manifold of lines) described in [2], in which continuous unmodulated radiation is emitted, Doppler spectra of the signal scattered in the opposite direction are recorded, and information about the height H and the corresponding the velocities V are obtained from the full form of the Doppler spectra, including from a comparison of the radiation power coming from a certain layer of scatterers. The disadvantage of this method is the inaccuracy of the height binding, which is especially pronounced with nonmonotonic wind profiles.

Наиболее близким аналогом является импульсно когерентный метод, основанный на излучении серии когерентных импульсов малой длительности [3]. В данном способе по времени задержки отраженного излучения определяют дальность до селектируемого объема, а по средней доплеровской частоте отраженного сигнала определяют проекцию скорости рассеивателей на направление зондирования. На основе проекций скорости, полученных для различных направлений зондирования, вычисляется скорость и направление ветра на каждой высоте. Недостатком этого способа является широкая полоса приема, требуемая для неискаженной регистрации коротких отраженных импульсов, длительностью τ_и, что снижает отношение сигнал/шум, ухудшает потенциал радиолокатора и возможности измерения при слабых сигналах.The closest analogue is the pulse-coherent method based on the emission of a series of coherent pulses of short duration [3]. In this method, the distance to the selectable volume is determined from the delay time of the reflected radiation, and the projection of the speed of the scatterers on the sounding direction is determined from the average Doppler frequency of the reflected signal. Based on the velocity projections obtained for different sensing directions, the wind speed and direction at each altitude are calculated. The disadvantage of this method is the wide reception band required for undistorted recording of short reflected pulses of duration τ _and , which reduces the signal-to-noise ratio, degrades the radar potential and the ability to measure with weak signals.

Технический результат предложенного способа заключается в повышении потенциала и чувствительности измерительной системы за счет использования длинных импульсов (повышения отношения сигнал/шум) и дальнейшего томографического восстановления профиля ветра в пределах каждого импульса с привязкой по высоте к началу и концу каждого импульса.The technical result of the proposed method consists in increasing the potential and sensitivity of the measuring system through the use of long pulses (increasing the signal-to-noise ratio) and further tomographic restoration of the wind profile within each pulse with reference in height to the beginning and end of each pulse.

Для достижения технического результата используют излучение с длинными импульсами, протяженность которых во много раз больше, чем требуемое пространственное разрешение. По времени задержки импульса определяют расположение импульса в пространстве, в частности высоту начала и высоту конца импульса. Затем проводится вычисление профиля скорости рассеивателей по высоте в пределах протяженности импульса по формуле (1), в которой учитывается закон изменения мощности принимаемого сигнала от высотыTo achieve a technical result, radiation with long pulses is used, the length of which is many times greater than the required spatial resolution. The pulse delay time determines the location of the pulse in space, in particular, the height of the beginning and the height of the end of the pulse. Then, the velocity profile of the scatterers is calculated in height within the pulse length according to formula (1), which takes into account the law of variation of the received signal power from height

где H - текущая высота,where H is the current height,

H_i - высота, соответствующая началу импульса,H _i - the height corresponding to the beginning of the pulse,

V - текущая проекция скорости ветра, соответствующая текущей высоте H,V is the current projection of wind speed corresponding to the current height H,

V_i - проекция скорости ветра на высоте, соответствующей началу импульса H_i,V _i - the projection of the wind speed at a height corresponding to the beginning of the pulse H _i ,

F(h) - известная для конкретной измерительной системы зависимость принимаемой мощности сигнала от высоты h, которая связана с дальностью R и местным углом зондирования β соотношением h=R sin(β),F (h) is the dependence of the received signal power on the height h known for a particular measuring system, which is related to the range R and the local sounding angle β by the relation h = R sin (β),

А - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измерительной системы и отражаемости рассеивателей,A is the coefficient of proportionality, depending on the parameters of the measuring system and the reflectivity of the diffusers,

S(v) - спектральная плотность мощности регистрируемого доплеровского сигнала, полученная при использовании длинных импульсовS (v) is the spectral power density of the recorded Doppler signal obtained using long pulses

В данном соотношении коэффициент А определяется из условия равенства мощности сигнала, вычисленного, с одной стороны, как интеграл от принимаемой мощности, которая зависит от дальности вдоль протяженности всего импульса зондирования, а с другой стороны, мощности, вычисленной как мощность всего доплеровского спектра.In this ratio, coefficient A is determined from the condition that the signal power is equal, calculated, on the one hand, as the integral of the received power, which depends on the distance along the length of the entire probe pulse, and on the other hand, the power calculated as the power of the entire Doppler spectrum.

Подынтегральную функцию F(H) для волновой зоны передатчика и множественной цели, каковыми являются отражения от неоднородностей атмосферы или осадков, можно представить в видеThe integrand F (H) for the wave zone of the transmitter and the multiple target, which are reflections from inhomogeneities of the atmosphere or precipitation, can be represented as

где γ - линейный коэффициент ослабления.where γ is the linear attenuation coefficient.

Достоинством метода по сравнению с традиционными импульсно когерентными системами является работа с длинными импульсами, что позволяет сузить полосу приема, повысить отношение сигнал/шум и, тем самым, повысить чувствительность радиолокатора к слабым сигналам.The advantage of the method compared to traditional pulse-coherent systems is the work with long pulses, which allows to narrow the reception band, increase the signal-to-noise ratio and, thereby, increase the radar sensitivity to weak signals.

На фиг. 1 представлен пример немонотонного изменения профиля ветра V(H), представленный в полярных координатах в виде годографа - множества проекций концов вектора ветра на горизонтальную плоскость. Поскольку вектор ветра имеет горизонтальное направление, то его вертикальный профиль можно полностью задать зависимостью модуля скорости от высоты V(H) и зависимостью азимута ветра от высоты α(H). Каждой точке годографа соответствует своя высота. Азимутальные углы отсчитываются от направления на север по часовой стрелке. Зондирование проводится в различных направлениях α_з. Для слоя рассеивателей (H₄,H₅) граничные частоты в доплеровском спектре (проекции скоростей на направление зондирования α_з) будут равны V(H₄), V(H₅).In FIG. Figure 1 shows an example of a nonmonotonic change in the wind profile V (H), presented in polar coordinates in the form of a hodograph — the set of projections of the ends of the wind vector on a horizontal plane. Since the wind vector has a horizontal direction, its vertical profile can be completely set by the dependence of the velocity modulus on the height V (H) and the dependence of the wind azimuth on the height α (H). Each hodograph point has its own height. The azimuthal angles are counted from the northward direction clockwise. Sounding is carried out in various directions α _z . For the layer of scatterers (H ₄ , H ₅ ), the boundary frequencies in the Doppler spectrum (projection of velocities on the sounding direction α _h ) will be V (H ₄ ), V (H ₅ ).

Пример реализации способа представлен на фиг. 1An example implementation of the method is presented in FIG. one

Пусть слой рассеивателей располагается от уровня земли H₁ до высоты Н₅=2000 метров. Пусть местный угол зондирования β составляет 30°. При зондировании длинными импульсами пространственная протяженность по дальности составляет 1000 метров, протяженность импульса по высоте составит 500 метров. При этом весь слой рассеивателей и годограф ветра разделятся на участки по 500 метров. Зондирование проводят при различных азимутах a_3i, например через каждые 30°. α_зi=0°, 30°…330°. В каждом направлении получают по 4 доплеровских спектра, соответствующих 4 различным участкам высот. Для каждого участка высот, например Н₄…Н₅, получают набор из 12 спектров, измеренных при одинаковом угле места и различных направлениях азимута α_зi. Из данного набора спектров выбирают 2 спектра, которые имеют наибольшую ширину (однозначное соответствие между проекцией скорости и высотой), затем для каждого участка высот проводят уточнение профиля скоростей на основе зависимости мощности сигнала от дальности до станции.Let the layer of diffusers range from ground level H ₁ to a height of H ₅ = 2000 meters. Let the local sounding angle β be 30 °. When probing with long pulses, the spatial extent in range is 1000 meters, the length of the impulse in height will be 500 meters. In this case, the entire layer of diffusers and the hodograph of the wind are divided into sections of 500 meters. The sounding is carried out at various azimuths of a _3i , for example, every 30 °. α _zi = 0 °, 30 ° ... 330 °. In each direction, 4 Doppler spectra corresponding to 4 different altitude sections are obtained. For each height section, for example, H ₄ ... H ₅ , a set of 12 spectra is obtained, measured at the same elevation angle and different directions of azimuth α _zi . From this set of spectra, 2 spectra are selected that have the largest width (an unambiguous correspondence between the projection of speed and altitude), then for each section of heights, the velocity profile is refined based on the dependence of the signal power on the distance to the station.

где S(v′) - это доплеровский спектр, полученный на участке высот Н₄ - Н₅ where S (v ′) is the Doppler spectrum obtained at the site of heights H ₄ - H ₅

Коэффициент А вычисляется из сравнения полной мощности сигнала на этом участке.Coefficient A is calculated from a comparison of the total signal power in this section.

В микроволновом диапазоне длин волн поглощением излучения по трассе можно пренебречь, γ=0. Тогда, с учетом (2), уравнения (3) и (4) преобразуется к виду:In the microwave wavelength range, path absorption can be neglected, γ = 0. Then, taking into account (2), equations (3) and (4) are transformed to the form:

Из уравнений (5) и (6) получаем профиль проекции скорости ветра V_i(H) на направление зондирования α_зi на участке H₄-H₅. Аналогичная процедура, проведенная для второго направления зондирования α_зi+1, позволяет получить проекции скорости ветра V_i+1(R). По двум проекциям вектора можно однозначно вычислить вектор ветра V(H), т.е. модуль вектора ветра V(H) и его направление α(Н) на всем участке высот Н₄-Н₅. Проводя аналогичную процедуру для каждого участка высот, можно полностью восстановить ветровой профиль.From equations (5) and (6) we obtain the profile of the projection of the wind velocity V _i (H) on the sounding direction α _zi in the section H ₄ -H ₅ . A similar procedure carried out for the second sounding direction α _zi +1 allows you to get the projection of the wind speed V _{i + 1} (R). From the two projections of the vector, the wind vector V (H) can be uniquely calculated, i.e. the modulus of the wind vector V (H) and its direction α (H) over the entire range of heights H ₄ -H ₅ . Carrying out a similar procedure for each site of heights, you can completely restore the wind profile.

Изобретательский уровень предлагаемого технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.The inventive step of the proposed technical solution is confirmed by the distinctive part of the claims.

Литература.Literature.

1. Стерлядкин В.В. Авторское свидетельство СССР №1795372, кл. G01P 5/00, 1990.1. Sterdyadkin V.V. USSR copyright certificate No. 1795372, cl. G01P 5/00, 1990.

2. Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Доплеровская томография в радиолокационной метеорологии, Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26. №1. С. 47-54.2. Gorelik A.G., Sterlyadkin V.V. Doppler tomography in radar meteorology, Izv. USSR Academy of Sciences. Physics of the atmosphere and the ocean. 1990.V. 26. No. 1. S. 47-54.

3. Стерлядкин В.В. Кононов М.А., Быковский. Оценка погрешности измерения профиля ветра методом круговых диаграмм с применением метеорологической радиолокационной станции миллиметрового диапазона длин волн. Научный вестник МГТУГА, сер. Радиотехника, №176, с. 25-30.3. Sterdyadkin VV Kononov M.A., Bykovsky. Evaluation of the error in measuring the wind profile by the method of pie charts using a meteorological radar station of the millimeter wavelength range. Scientific Bulletin of MSTUGA, ser. Radio engineering, No. 176, p. 25-30.

Claims

A method for determining a wind profile in the atmosphere, based on the emission of coherent pulses by a transceiver, recording a reflected signal, receiving a Doppler signal at various heights in different sounding directions, characterized in that they emit long pulses, and the wind velocity profile within a long section is refined taking into account the full forms of Doppler spectra in two or several directions of sounding, in which the width of the spectrum is maximum, taking into account the attenuation law whith the distance to the transceiver.