Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 9

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

-20

-40

и CD

О

0)

IS p

-60

о

-80

esl

p

E

-100

о О

-120

-140

0

200

600

800

0

600 700

800

900

СРРСН'2008

I-чЛ - 66

ИЗУЧЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ВОЗДУШНЫХ МАСС В ГРОЗОВЫХ

ОБЛАКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОПЛЕРОВСКИХ РЛС

Луценко В.И., Луценко И.В. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, 61085, Харьков, ул.Академика Проскуры Тел.: (8057) 720-33-40, e-mail: lutsenko@ire.kharkov.ua The method of estimation of the turbulent pulsations of the air weights velocity in the storm clouds by the moment characteristics of the spectrums the signals scattered from hydro-meteors is produced in this project. Using the first moment of the characteristics of the scattered signal spectrum one can estimate shifted characteristics of the air stream, and using the second moment one can estimate velocity spread of the scatterers strictly connected with the dispersion of the stream fluctuations inside the cloud.

1. Введение. Многие атмосферные явления представляют опасность для воздушно­го и морского транспорта. Для нужд авиации и флота необходимы сведения, которыми климатологи не располагали ранее, а также совершенствование методов прогноза погоды, внедрение средств и методов вычисления будущего состояния метеорологических вели­чин (атмосферного давления, ветра, температуры воздуха), расчета перемещения и эво­люции опасных синоптических объектов, таких, как циклоны, их ложбины с атмосфер­ными фронтами, антициклоны, гребни и т. п. Одним из таких опасных явлений является сдвиг ветра.

Сдвиг ветра - это изменение вектора ветра (скорости и направления ветра) на еди­ницу расстояния. Сдвиг ветра является показателем неустойчивости состояния атмосфе­ры, способной вызывать болтанку самолета, создавать помехи полетам и даже - при не­которых значениях его величины - угрожать безопасности полетов. Вертикальный сдвиг ветра более 4 м/с на 60 м высоты считается опасным для полетов метеорологическим яв­лением. В настоящей работе предлагается подход к анализу турбулентных пульсаций, в том числе, и носящих характер сдвига по характеристикам рассеянного гидрометеорами сигнала.

2. Оценка степени пространственной неоднородности воздушного потока по спектрам рассеянных гидрометеорами сигналов. Пусть S(f, R, в, в)- спектр рассеян­ного грозовым облаком сигнала при дальности R , азимуте в и угле места в отражающе­го элемента облака:

S (f, R, в, в) = F (S (t, R, в, в)) = { exp(i2nft )S (t, R, в, fi)dt (1)

0

где f - частота Доплера, а T0 = Ав / v0- длительность временного сегмента, в течение

которого антенна сместилась на ширину диаграммы направленности, и который исполь­зуется для получения спектра, F () - Фурье преобразование. Пересчитав доплеровское смещение частоты с использованием известного эффекта Доплера V = Af /2 можно опе­рировать со спектром скоростей движения рассеивателей: S(V, R, в, в) . Зависимость m -моментной характеристики спектра lm (R, в, в) от пространственных координат опреде­лится как:

lm (Кв, в) = j vmS (V, ад вW. (2)

0

Средняя интенсивность /0 (R, в, в) , скорость - V) (R, в, в)) и дисперсия разброса скоро-

2

стей рассеивателей Gv (R^, в) определяются соотношениями:

/ 0( ад в) = ^(RA в)

СРРСН'2008

I-чЛ - 67

Vo (R, в, в) = А (R, в, в) / lo (R, в, в) (З)

<т2у( R,в, в) = І2,в, в)/lo( R,в, в), где VT = AFT / 2 - первая слепая скорость, определяемая частотой повторения импульсов Ft .

РЛС измеряет проекцию вектора скорости воздушного потока на направление об­лучения. Пусть

Vo(RA в) = VH (ад в)(^в0 + i sh^o) + jVv (R,в, в) (4) поле скоростей ветра в полярной системе координат, где VH (R, в, в) - модуль горизон­тальной составляющей скорости ветра в точке с координатами (R, в, в), а в0 - азимут ветра, а Vv (R, в, в) - модуль вертикальной составляющей скорости ветра. Измеренная РЛС проекция вектора скорости на направление облучения:

Vo (R, в, в) = VH (R, в, в) cos^o - в) cos в + Vv (R, в, в) sin в (5) Предполагая, что в трех соседних точках по азимуту {(в-Aв), (в), + Aв)}параметры

воздушного потока неизменны, и A в << І можно получить выражения для определения горизонтальной и вертикальной проекций вектора скорости:

A = в0 - в = -arctg

Vo(R,в + Aв, в) - Vo(R,в-Aв, в) ^

2 (Vo (R, в + Aв, в) + Vo(R, в - Aв, в) - 2Vo (R, в, в))

VH (R,в, в) = V0( в) - V0( в) ; (б)

2cos в^(в0-в)

v , „ п ял   У (Я в, Р) ~ Ун (Я в, Р) cos /?(cos(fl0 - в))

sin р

Соотношение (6) позволяют по вычисленным моментным характеристикам (2) оценить горизонтальную и вертикальную составляющие скорости ветра по измеренным в трех точках проекциям вектора скорости на направление облучения РЛС. Следует иметь в ви­ду, что при горизонтальной ориентации луча антенны РЛС происходит вырождение урав­нения для вертикальной составляющей скорости ветра.

Для экспериментов использовался когерентно - импульсный радиолокатор с дли­ной волны излучения 2см, длительностью импульса 0,4мкС, мощностью 0,3кВт, частотой повторения 4кГц и шириной диаграммы направленности около 20 по азимуту и 50 - углу места. Облучение пространства и прием отраженных сигналов осуществлялись на верти­кальной поляризации.

Сигнал с выхода фазового детектора приемного устройства вводился в компьютер. Одновременно в компьютер вводились метки смены направления сканирования. В каче­стве примера на рис. 1а приведены две реализации характеризующие поведение ампли­туды рассеянного снегом сигнала S(в) от азимутального угла облучения, полученные при двух углах места р относительно горизонта. На рис.1б приведены спектрограммы отражений от снежного заряда при сильном порывистом ветре, полученные по сегментам длительностью около 0.25 С. Интенсивность спектральной компоненты пропорциональна яркости ее отметки. Видно, что как для интенсивности рассеянного сигнала, так и спек­трограмм характерна пространственная неоднородность. Существуют зоны, в которых наблюдается повышенная интенсивность, а она связана с интенсивностью осадков, а так­

СРРСН'2008

I-ч.І - 68же доплеровских смещений частоты, связанных с более высокими скоростями движения частиц гидрометеоров. При увеличении угла мета с 6° (кривые а, с рис.1) до 12° (кривые Ь, с! рис.1) проекция скорости движения снежных частиц на направление облучения воз­растает (рис.1 Ь). Возрастает и интенсивности рассеянного сигнала (рис. 1 с!), что связано с с большей плотностью рассеивающих частиц снега в этой области пространства.

ill_I_III_1_U1X_т;   mm_|_ш_|_иц.и.о « ™» *™

|)  120 о 120 о 120 о 120 о 120 Азимутальный угол

Угол, град.

а б Рис.1. Характеристики рассеяния снегом за несколько периодов обзора РЛС: дальность 1400 м, азимут 1400 , сектор сканирования 1200 : временные реализации - а,Ь; спектры -c,d ; а,с - угол места 60 ; b,d - угол места 120 ; б - нулевой (интенсивность) - 1 и первый (скорость) - 2 моменты отражений от снега, угол места 60 ; оси условные единицы азимута, скорости, интенсивности

С использованием соотношений (2,3) и экспериментальных данных получены зави­симости от азимутального угла облучения первых двух моментов спектра рассеянного снегом сигнала, характеризующие изменение интенсивности и средней скорости рассеи-вателей - рис1 б. При оценке скорости необходимо учитывать следующее:

1. Если доплеровское смещение частоты рассеянного сигнала, пересчитанное в ско­рость V > Vj / 2, то измеренное значение скорости V = Vj - V < Vj / 2 необходимо пе­ресчитать в истинное значение.

2. При сканировании антенны переход от облучения навстречу ветру к направле­нию по ветру приводит к смене знака доплеровского смещения частоты, однако в РЛС без квадратурного канала все частоты (скорости) отображаются как положительные V = VI .При обработке необходимо восстановить знак скорости.

3. Сворачивание частот спектра приводит к смещению оценок моментных характе­ристик. Это обстоятельство можно учесть, пересчитав измеренные скорости, полученные до корректировки эффектов сворачивания, по соотношению:

V0   V - V ■

V = V_±   V     V mm    , (7)

1     2 V    - V ^

^ ' max    ' mm

где Vmax,Vmm оценки скорости, полученные с использованием соотношений (2,3) для

азимутальных углов, при которых скорость становится больше половины слепой и стано­вится равной нулю.

С учетом сделанных замечаний для двух углов места получены зависимости изме­нения проекции скорости на направление облучения снежинок от азимутального угла об­лучения по нескольким периодам обзора - рис. 2 а, в. Там же - кривая 1 приведено зна­чение скорости, полученное путем усреднения по ансамблю и в пределах скользящего окна по азимуту. Используя эти данные, были посчитаны уклонения между средним зна­

СРРСН'2008

1-ч.1 - 69чением в обзоре и средним по всем обзорам, которые и характеризуют неоднородность поля скоростей ветра в пределах сектора сканирования - рис. 2 б, г.

60

Угол, град

б Г

Рис. 2. Скорости и их уклонение от среднего для нескольких периодов обзора и углов места : а, б - угол места 6°; в, г - угол места 12°; а, в скорости в зависимости от азимута, 1 - средняя скорость; б, г - уклонение скорости от среднего значения для различных

азимутальных углов

Видно, что для представленных экспериментальных данных для азимутальных уг­лов 30°-40° при угле места уклонения от среднего превышают 5м/С, и сильно изменя­ются от обзора к обзору. Это означает, что при данных азимутах наблюдаются значи­тельные пульсации средней скорости воздушного потока и данная ситуация может пред­ставлять опасность при полетах воздушного транспорта. Для угла места 12° распределе­ние уклонений скорости по азимутальным углам более равномерно и имеет меньшую ве­личину.

3. Заключение. Моментные характеристики спектра отражений от зон выпадения осадков могут использоваться для оценки турбулентности воздушных потоков. Уклоне­ние среднего значения скорости рассеивателей от текущего, оцененное по спектрам от­ражений, позволяет обнаружить зоны повышенной турбулентности, представляющих опасность для авиации. Совместный анализ интенсивности рассеяния, скорости переме­щения воздушных масс и среднеквадратичного значения турбулентных пульсаций скоро­стей рассеивателей позволяют оценить очаги грозовой активности, представляющие наи­большую опасность.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 70

ПОРТАТИВНАЯ РЛС S-ДИАПОЗОНА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСАДКОВ

И ОБЛАЧНЫХ СИСТЕМ

Юдин С.В., Олейников В.Н., Евсеев Д.Б., Соляник О.А., Татарец Л.П., Нестеренко Г.В., Литвин-Попович А.И., Иванова Е.А. Харьковский национальный университет радиоэлектроники 61166, Харьков, пр. Ленина,14, кафедра РЭС, 8(057)702-15-87, e-mail: udin@ukr.net Portable S-band radar was designed at the Kharkov National University of Radio Elec­tronics to monitor the vertical structure of precipitation and cloud systems. Built radar is small size, high reliability and low cost. It allows for long, self-monitoring rainfall. S-band is the most widely used in weather radar.

Облачные системы играют существенную ролей в формировании погодных усло­вий на Земле. Для выяснения параметров термодинамических процессов при выпадении осадков необходима разработка глобальной модели структуры конвективных облачных систем. Несмотря на то, что данные спутников дают полезную информацию о горизон­тальном распределении облаков, они не в состоянии обеспечить детальную информацию о вертикальной структуре облачности. В настоящее время проводятся несколько между­народных программ, непосредственно посвященных проблеме изучения вертикальной структуры облачных систем.

В течение последнего десятилетия РЛС вертикального зондирования ( РЛС ВЗ) стали признанным инструментом метеорологических исследований. Они работают в бо­лее длинноволновом диапазоне, чем погодные РЛС. Это обусловлено тем, что при работе по ясному небу основным механизмом рассеяния является Брэговское рассеяние от неод-нородностей показателя преломления, образованными атмосферной турбулентностью.

Несмотря на то, что основным применением РЛС ВЗ является измерение скорости ветра, в последнее время все чаще они используются и для исследования мелкомасштаб­ных характеристик облачных систем и процесса образования осадков. РЛС ВЗ позволяют получать непрерывную картину развития процесса выпадения осадков в вертикальном направлении вплоть до нескольких сотен метров от поверхности.

Разработанные в ХНУРЭ РЛС ВЗ [1,2] диапазонов 0,4 ГГц и 1 ГГц имеют ограни­ченную чувствительность к отражениям от гидрометеоров на больших высотах. Порта­тивная РЛС S-диапазона (или диапазон 3 ГГц) разрабатывалась для увеличения высотно­го диапазона изучения облачных систем. Она позволяет проводить непрерывные наблю­дения с высоким временным и пространственным разрешением. S-диапазон является наиболее широко используемым в погодных РЛС.

Выбранная рабочая частота обеспечивает существенное увеличение чувствитель­ности по сравнению с другими традиционно используемыми в метеорологии диапазона­ми частот миллиметрового диапазона (33 и 94 ГГц). С помощью РЛС S-диапазона мож­но лучше наблюдать процесс выпадения осадков и структуру конвективных облачных систем, но границы и толщина облаков просматриваются менее четко чем на РЛС мил­лиметрового диапазона .

Разработанная РЛС S-диапазона является станцией вертикального зондирования, обладает высокой чувствительностью для обнаружения осадков на стадии их образова­ния.

Оборудование РЛС имеет небольшие размеры и может, при необходимости, быть развернуто в удаленном пункте наблюдения. Стоимость проведения наблюдений отно­сительно мала. РЛС позволяет получать вертикальные профили облачных систем с высо­ким разрешением: временное разрешение составляет 3 с, разрешение по высоте 60 м. Результаты зондирования дают непрерывную картину распределения облачности, обла­дают большой наглядностью, существенной для синоптического анализа, и в значитель­ной мере помогают более правильно осмыслить данные метеорологических наблюде­ний.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 71

При разработке антенны РЛС кроме требований по обеспечению необходимого усиления предъявляются весьма жесткие требования по уровню боковых лепестков диа­граммы направленности (ДН) антенны расположенных под малыми углами места. Нали­чие боковых лепестков приводит к появлению помех за счет сигналов отраженных от наземных предметов: зданий, мачт, деревьев и т.д.

В РЛС используется две прямофокусные параболические антенны диаметром 1.8 м, используемые соответственно для излучения и приема. Отношение длины фокусного рас­стояния к диаметру антенны составляет около °.42. Такое соотношение позволяет полу­чить оптимальное усиление антенны при использовании облучателя в виде открытого конца круглого волновода. Облучатель антенны возбуждается двумя ортогональными штырями, что позволяет проводить оценку поляризационной структуры принятого сиг­нала. Ширина диаграммы направленности антенны на уровне -3 дБ составляет 4°.

Конструктивно отражающая поверхность антенны выполнена из 16 радиальных секторов. Стабильность формы профиля параболы обеспечивается жесткостью несущего каркаса. Апертура антенны окружена конической блендой высотой один метр. В плане бленда имеет форму восьмигранника. Кромка бленды снабжена радиочастотным погло­тителем выполненным из углепластикового волокна. Бленда позволяет перераспределить боковые лепестки ДН антенны в пространстве, минимизировав их уровень для малых уг­лов места.

Передающее устройство РЛС представляет функционально законченный модуль и выполнено на базе магнетрона. Передающее устройство имеет небольшие геометриче­ские размеры и устанавливается в фокальной точке передающей антенны, что позволяет устранить дополнительные потери.

Радиоприёмное устройство реализовано по схеме супергетеродина с двойным пре­образованием частоты. Конструктивно приёмник состоит из конвертора, устанавливаемо­го вместе с облучателем в фокусе приёмной антенны и тракта промежуточной частоты. В состав конвертора входит малошумящий усилитель (МШУ), фильтр зеркального кана­ла, балансный смеситель, синтезатор частоты, фильтр промежуточной частоты и пред­варительный усилителя ПЧ. Далее через кабель снижения сигнал поступает в тракт про­межуточной частоты. Питание конвертора осуществляется через кабель снижения с ис­пользованием инжектора. Для реализации фильтра зеркального канала приёмника ис­пользован фильтр в микрополосковом исполнении на пяти четвертьволновых резонато­рах по схеме включения "встречных стержней", подавление зеркального канала не менее 35дБ. Тракт ПЧ включает фильтр ПАВ, логарифмический усилитель с динамическим диапазоном  8° дБ.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа