Радиолокация

1.1.3. Высота радиоэха облаков

Границы облаков и осадков определяются по границам радио­ эха, отображаемым на индикаторах кругового обзора (ИКО) и дальность—высота (ИДВ) МРЛС. Высота верхней (нижней) гра­

ница радиоэха не будет совпадать с верхней границей облаков на

ИДВ, шкала которых может быть растянута для удобства отсчета

ряется максимальный угол возвышения антенны ег, при котором

тикального градиента показателя преломления воздуха в диапа­ зоне радиоволн. Рефракция радиоволн, . превышает рефракцию оптических волн. Это приводит к тому, что дальность радиогори­ зонта оказывается в среднем на 15 % больше дальности оптиче­ ского горизонта. Нижняя граница диаграммы направленности ан­ тенны с удалением от М РЛ поднимается над поверхностью Земли.

даже_при выполнении условия радиолокационного обнаружения

поправок, за исключением поправки на fto — высоту расположения антенны М РЛ над уровнем моря, не вводится.

11

вводится поправка на половину ширины диаграммы направленно­ сти, равная QoR/2, и тогда

сти определяется верхняя граница зоны радиоэха с Zg равной 23 или 30 дБ 2. Определенные таким образом высоты заведомо меньше высоты верхней границы облаков.

1.1.4, Площадь радиоэха

Площадь радиоэха облаков и осадков 5 является одной из важнейших характеристик. Под 5 понимают:

личина Zi, равная обычно 23 или 30 дБг;

площадь «ядра радиоэха» — зона радиоэха, соответствующая области метеоцели с отражаемостью меньшей, чем максимальное

еезначение, на 10— 12 дБ.

1.2.Эффективный радиус обнаружения облаков и осадков

Более чем сорокалетний опыт применения РЛС для наблюде­ ний за облаками и осадками позволил сформулировать доста­ точно четкие требования к некогерентным РЛС метеорологиче­ ского назначения. Эти требования зависят как от решаемых МРЛ задач, так и от метеорологических условий распространения ра­ диоволн в данном физико-географическом районе.

стных предметов в пункте установки М РЛ ).

Задачи, решаемые с помощью М РЛ, можно условно разделить на следующие три группы; 1) штормовое оповещение, 2) измере­ ние осадков и сопровождение работ по активным воздействиям,

3)наблюдение за параметрами недождевой облачности.

Каждая группа задач решается определенными М РЛ с опти­ мальным диапазоном длин волн и минимальным значением

12

13

метеорологического потенциала Пм (табл. 1.4). В табл. 1.4 значения Пм рассчитаны в единицах СИ. Для огромного большинства М РЛ , которыми сейчас оснащена оперативная сеть М РЛ штормо­ повещения в нашей стране и за рубежом, выполняются требо­ вания, приведенные в табл. 1.4. Приведем сравнительную табл. 1.5 основных параметров М РЛ, результатами измерений на которых будем пользоваться в дальнейшем [26, 224]. В табл. 1.6 приведены значения Яаф на примере отечественных М РЛ — МРЛ-1 и МРЛ-2 [23—26, 63, 136, 153, 164]. Как видно из этой таблицы, вероят­ ность обнаружения облаков без осадков довольно резко падает с их удалением от М РЛ. При приведенных в данной таблице ве­ личинах Рэф средняя вероятность обнаружения таких облаков со­ ставляет 75% .

Существует ряд ограничений, которые снижают эффективность

минимальная высота обнаружения облачности. Облачность, нахо­ дящуюся ниже нижней границы диаграммы направленности МРЛ,

Zmin(■/?)•

С увеличением R возрастает величина V (1.12) и уменьшается разрешающая способность М РЛ по угловым координатам, про­ порциональная QoR. Отсюда возрастают погрешности измерений высоты и отражаемости радиоэха, что понижает достоверность радиолокационной информации.

1.3. Методика наблюдений и точность определения радиолокационных характеристик облаков и осадков

1.3.1. Измерение мощности отраженных сигналов и расчет г

Средняя мощность Рар отраженных от облаков сигналов яв­ ляется результатом обратного рассеяния от многочисленных це­ лей, хаотически распределенных в пространстве, которые нахо­ дятся в беспорядочном движении. Величина Рпр равна сумме мощ­ ностей, отраженных отдельными рассеивателями (частицами об­ лаков). _

Динамический диапазон Рпр достигает 100 дБ, это требует ис­ пользования в М РЛ приемников с логарифмической характери­ стикой. При регистрации сигналов, отраженных от радиолокаци­ онного объема (1.12), была определена плотность вероятности

14

величин Pj, которая следует закону Рэлея [3, 25, 60]. Рэлеевская плотность вероятности F описывается формулой

Практический размах флуктуаций сигнала, отраженного от об­

При измерении отношения Рдр/Рпртш необходимо учитывать, что только при идеальной логарифмической характеристике при­

Отсюда во всех измерениях для каждого М РЛ необходимо экспе­

риментально определять Ig P /lg P . Среднее значение Р на выходе приемника в общем виде описывается формулой

где /^(1пР) определяется с помощью (1.27). Из (1.27) и (1.29) следует, что при числе отраженных от радиолокационного объема сигналов, равном 10^— 10^ величину Р можно определить по вели­ чине Ртах В выборке. При ЭТОМ Р = Ртах— (1 0 ... И ) дБ. Однако в условиях оперативных измерений Р по всему полю радиоэха такое количество отраженных сигналов получить практически не­ возможно. Всегда приходится иметь дело с ограниченным количе­ ством отраженных импульсов Pj. Теоретическая оценка погреш­ ности измерений величины Р производится по формуле

15

Из (1.31) и (1.32) следует, что с увеличением числа независи-

мых импульсов в выборке отраженных сигналов величина APj возрастает, а среднее квадратичное отклонение убывает. В част­

<1.31) и (1.32) позволяют оценить динамический диапазон оши­ бок измерения Р при использовании метода выборки максимума, который равен

Если производится измерение мощности сигналов, отраженных от объемов пространства, превышающих V, то общее число отражен­ ных сигналов N'. в объеме, образованном стробирующим импуль­

сом Тстр и 00, равно

(1.34)

где f — частота посылок М РЛ, со — скорость вращения антенны,

Тзонд — длительность зондирующего импульса, А /?= -^Т стр ,

tcTp — длительность стробирующего импульса.

С учетом независимости импульсов и при условии, что сред­ нее квадратическое отклонение должно быть меньше погрешности применяемых при калибровке М РЛ генераторов стандартных сиг­ налов, оптимальное для осреднения значение М' необходимо вы­

бирать исходя из следующего неравенства [60, 76];

ные данные могут быть получены с помощью осреднения. Оно мо­ жет быть выполнено путем интегрирования видеосигнала в объ­ еме, равном длительности зондирующего или стробирующего им­ пульса (временное интегрирование), либо за время существования сигнала (пространственное интегрирование), либо в результате комбинирования этих двух методов (пространственно-временное интегрирование по элементам АРХ0о). Такие интеграторы кон­ струируют, используя аналоговые, цифровые или аналого-цифро­ вые устройства. Цифровое интегрирование предусматривает пере­ вод амплитудных выборок сигнала в код (в цифровую форму),

16

сложение в сумматоре с дальнейшим определением среднего. Аналоговое осреднение обычно производится стробированием от­ раженных сигналов в емкостных цепях с одновременным интегри­ рованием по всему диапазону расстояний от М РЛ. Цифровое интегрирование обеспечивает более широкий динамический диапа­ зон и большие возможности для дальнейшей обработки и пред­ ставления сигналов. Свойствами интегрирования отраженных сиг­ налов обладают некоторые типы электронно-лучевых трубок, при­

(1.34). Напряжение «вх связано с мощностью Pj на входе прием­ ника через коэффициент пропорциональности К' соотношением

(1.38)

Аналого-цифровой способ. Включает осреднение в стробе, кван-

^тование и осреднение по времени:

) осреднение в стробе длительностью Тстр

стр

В И Б Л И О Т Р ’Т а

Таким образом, общий алгоритм аналого-цифрового способа осреднения без учета ошибки квантования запишется в сле­ дующем виде;

0of/co, Тстр

Выбор максимума. Лежит в основе работы системы изоэха [23]. Принятая в оперативной практике система изоэха со ступе­ нями 6 дБ основана на принципе порогового ограничения видео­ сигнала снизу. Сигналы, превосходящие порог, в дальнейшем уси­ ливаются и поступают на электронно-лучевую трубку ИКО. От­ счет измерений производится по пропаданию или появлению сиг­ нала на ИКО и ИДВ. Система изоэха может быть построена и по промежуточной частоте приемника МРЛС.

Выбор максимума из N ' независимых отраженных сигналов

Существуют системы изоэха с предварительным осреднением сигнала, когда сигнал поступает в пороговое устройство после осреднения. Отметим, что электронно-лучевые трубки М РЛ реа­ гируют даже на один приходящий импульс.

Отражаемость г часто определяют по амплитуде отраженного сигнала на амплитудном индикаторе ИА (амплитуда—дальность)

для развертки ИА с выхода линейного приемника, средняя линия расположена выше базовой на 30—40 % всего диапазона измере­ ний и представляет собой произвольный уровень. Этот уровень соответствует контрольному сигналу, равному — 103 дБ/Вт, и уста­ навливается с помощью регулировки напряжения смещения или контроля усиления по промежуточной частоте. Отраженный сиг­ нал, превышающий уровень — 103 дБ/Вт, с помощью аттенюатора ослабляется до выбранного уровня.

Поскольку каждая из компонент (1.17) определяется незави­ симо, при расчете г по этой формуле выражение для дисперсии

общей погрешности имеет вид

При калибровке М РЛ по точечной цели, в которой участвуют все измерительные тракты М РЛ, максимальная погрешность опреде­

ления Пм или За^^ = ± 3 дБ, или 3ст1дн=±3 дБ. В зависимости от

М

метода и способа измерения Р можно по-разному оценить

(1.30). Если при скорости вращения антенны 0,63 рад/с Р из­ меряется по восьми импульсам, то в этом случае 20—л; ± 4 дБ.

18

Как следует из (1.27) и (1.29), с вероятностью 95% ошибка из­ мерения средней мощности по неосредненному сигналу не превы­ шает ± 2 а - = ± 11,2 дБ.

На точность измерения z, помимо ослабления радиолокацион­ ного сигнала на трассе распространения и способа регистрации принимаемых сигналов и их обработки, влияют калибровка си­ стем измерения М РЛ и стабильность его технических характери­ стик. К этим факторам следует добавить значительные простран­ ственные и временные неоднородности г, которые создаются от­ ражающими частицами, обладающими сложной микроструктурой и большой временной изменчивостью параметров распределения.

Задача калибровки М РЛ заключается в определении его па­ раметров, входящих в Пм, и градуировке выходных каскадов при­ емника в единицах принимаемой мощности. Калибровку М РЛ мо­ жно проводить [7, 20, 24] следующим образом: путем прямого из­ мерения его технических параметров, входящих в уравнение (1.14); с помощью эталонной цели с известным поперечным сече­ нием обратного рассеяния; с помощью рупорной антенны со стан­ дартным усилением; и, наконец, возможна относительная калиб­

собе в основном зависит от точности применяемого сигнал-гене­ ратора. Неконтролируемая ошибка может возникнуть при обра­ зовании конденсата в антенно-волноводном тракте и уменьшении его КПД.

Если в М РЛ применяются системы поддержания постоянства параметров, входящих в Пм, то в этом случае относительные из­ мерения 2 за различные интервалы времени определяются значи­ тельно точнее, чем абсолютные значения. Применение системы от­

Ошибка за счет такого осреднения зависит от соотношения между

где Yb, Yr — вертикальный и горизонтальный градиенты г, 6о — ши­ рина диаграммы направленности, г* — размер неоднородности z.

Из формулы (1.44а) следует, что при 00 = 44'’ и г* = 300 м погреш­

ность А lg 2 имеет следующие значения:

2щах в облаке. При выбранных значениях 0о на расстоянии более 200 км от М РЛ проводить измерения z можно только с большими погрешностями, достигающими порядка измеряемой величины.

Три использовании ветрозащитных укрытий антенн М РЛ (радиопрозрачных колпаков) необходимо учитывать потери на стен­ ках укрытия. При отсутствии осадков коэффициент прохождения по мощности при нормальном падении волны на колпак состав­ ляет около 0,99 [151]. Величина ослабления сигнала зависит от толщины пленки воды, которая определяется интенсивностью осадков и физико-химическими свойствами наружной поверхности

Ко всем перечисленным источникам возможных ошибок изме­ рения Z необходимо добавить наличие аномальных условий рас­ пространения радиоволн. При работе с аппаратурой автоматиче­ ской обработки отраженных сигналов ошибки могут возникать за счет пространственного осреднения отраженных сигналов в зо­ нах облаков и осадков с большими градиентами отражаемости. Таким образом, при измерении z необходимо учитывать всю со­ вокупность рассмотренных факторов. Следует также отметить, что

Применяемые в настоящее время способы калибровки М РЛ и обработки отраженных сигналов не позволяют определять абсо­ лютные значения z с погрешностью менее ± 3 дБ. В оперативных наблюдениях она может и превышать 3 дБ. Как при такой точ­ ности производят метеорологическую интерпретацию информации

МРЛ, будет показано ниже.

1.3.2.Точность определения высоты облаков

вых лепестков антенны, структуры зоны отражаемости в верхней