способ измерения электромагнитной плотности облачной среды

Формула изобретения

1. Способ измерения электромагнитной плотности облачной среды, включающий радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием отраженного сигнала от локальной исследуемой области и отображение его на экране радара в виде огибающей с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R), расстояния (R) до максимума амплитуды на экране радара и определение по данным измерения максимальной дальности радара (R_max.1) и максимальной интенсивности сигнала (Z_max.1), отличающийся тем, что дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала, для чего в приемной аппаратуре радара вводят ступени затухания энергетического потенциала радара ( Z), имитируя таким образом перемещение локальной исследуемой области по оси дальности на экране радара, затем на экране радара определяют проекцию огибающей эхо-сигнала на данную ось до перемещения исследуемой локальной области ( R₁) по оси дальности и после ее перемещения ( R₂), после чего по соотношению найденных величин ( R₁ и R₂) определяют максимальную дальность радара (R_max.2) по формуле



где ,

a R_e - единичное расстояние, равное 1 км, и геометрический путь (R_max.г), соответствующий максимальной дальности радара (R_max.1) по формуле

,

затем определяют электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле

.

2. Способ измерения электромагнитной плотности облачной среды по п.1, отличающийся тем, что при определении проекции огибающей радарного эха на ось расстояний берется начальный участок огибающей эхо-сигнала, ограниченный спереди точкой пересечения огибающей с осью дальности, а сзади - максимумом интенсивности эхо-сигнала.

3. Способ измерения электромагнитной плотности облачной среды по п.1, отличающийся тем, что максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) определяют по формуле

.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения электромагнитной плотности облачной среды с целью определения физических характеристик среды, что необходимо для решения многих прикладных задач метеорологического и навигационного назначения.

Согласно определению электромагнитная плотность (D) характеризует поглощение энергии электромагнитного излучения слоем среды и выражается десятичным логарифмом частного от деления падающего на слой потока излучения к потоку, прошедшему через данный слой (Политехнический словарь, изд. Третье, гл. ред. А.Ю.Ишлинский. - М.: Советская энциклопедия, 1989, 348.).

Зная электромагнитную плотность облачной среды можно легко определить локальную водность (q) и суммарное количество воды (М), содержащееся в облаке, а также ряд других важнейших параметров облачной среды.

Известны различные способы измерения электромагнитных характеристик атмосферной среды методами дальномерной рефрактометрии с использованием интерферометров различного назначения (Радиогеодезические и электрооптические измерения. // Большаков В.Д., Деймлих Ф, Голубев А.Н., Васильев В.П. - М.: Недра, 1985, с.68-86).

Однако известные способы сложны в реализации и пригодны только для стандартной безоблачной атмосферы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ измерения параметров облачной среды, включающий радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием эхо-сигнала от локальной исследуемой ее области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R), расстояния (R) до максимума амплитуды и определением по данным измерения максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max(1) ), с последующим определением отражаемости ( ), а затем и параметров облачной среды по эмпирическим расчетным формулам (Руководство по применению радиолокаторов МРЛ-4, МРЛ-5 и МРЛ-6. / М.Т.Абшаев, И.И.Бурцев, С.И.Ваксенбург, Г.Ф.Шевела. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980, с.138-139 - ПРОТОТИП).

Однако известный способ измерения параметров облачной среды имеет массу недостатков. Один из них заключается в том, что на точность измерения радиолокационной отражаемости влияет множество факторов, значительная часть которых является неконтролируемой. Так, например, в известном способе возможна только амплитудная (энергетическая) регистрация сигнала, которая не учитывает влияние на точность измерения таких параметров, как содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

Указанные недостатки существенно снижают точность результатов измерений параметров облачной среды, что серьезно сказывается на решении многих проблем, связанных с навигацией морских и воздушных судов, а также решения практических задач, связанных с воздействием на облачные процессы с целью предотвращения градобитий и искусственного регулирования осадков.

Таким образом, в настоящее время способа измерения электромагнитной плотности облачной среды радиолокационным методом не существует, а все результаты измерений параметров облачной среды базируются на измерении одного единственного параметра - радиолокационной отражаемости ( ), точность измерения которой в зависимости от конкретных условий может составлять от 100° и более процентов (Конторов Д.С., Конторов М.Д., Слока В.К. Радиоинформатика. - М.: Радио и связь, 1993, с.186).

С учетом этого техническим результатом от использования заявленного технического решения является радиолокационный способ измерения электромагнитной плотности облачной среды и повышение точности измерения искомых параметров.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения электромагнитной плотности облачной среды, включающем радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, прием эхо-сигнала от локальной исследуемой области и отображение его на экране радара в виде огибающей, с последующей некогерентной обработкой данного сигнала путем измерения максимальной ее амплитуды (Z_R), расстояния (R) до максимума амплитуды и определением по данным измерения максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1) и максимальной интенсивности сигнала (Z _max.1), дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала, для чего на приемном конце радара вводят ступени затухания энергетического потенциала радара ( Z), имитируя, таким образом, перемещение локальной исследуемой области по оси дальности, затем с экрана радара определяют проекцию огибающей эхо-сигнала на данную ось до перемещения исследуемой локальной области ( R₁) по оси дальности и после ее перемещения ( R₂), после чего по соотношению найденных величин ( R₁ и R₂) определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2) по формуле

где

а R_e - единичное расстояние, равное 1 км,

и геометрический путь (R_max.г ), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_mах.1), по формуле

затем определяют электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле

.

Технический результат достигается и тем, что в известном способе измерения электромагнитной плотности облачной среды при определении проекции огибающей радарного эхо на ось расстояний берется начальный участок огибающей эхо-сигнала, ограниченный спереди точкой пересечения огибающей с осью дальности, а сзади - максимумом интенсивности эхо-сигнала.

Технический результат достигается и тем, что в известном способе измерения электромагнитной плотности облачной среды максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) определяют по формуле

.

Предлагаемый способ измерения электромагнитной плотности облачной среды позволяет существенно повысить точность измерения за счет когерентной обработки сигнала, при которой учитывается влияние на результат измерения содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.

Сущность изобретения поясняется рисунком, где схематически представлена система, реализующая предлагаемый способ.

На чертеже схематически представлен радар 1. По оси дальности (0-Х) схематически изображено облако 2, в котором выделена локальная исследуемая область 3. Принятый от объекта локации видеосигнал представлен на чертеже в виде огибающей 4. Максимальная амплитуда сигнала под огибающей обозначена через (Z_R), а расстояние от радара до этой амплитуды обозначено через R. Видеосигнал, полученный при имитации перемещения локальной исследуемой области 3 по оси дальности (0-Х) путем введения на приемном конце радара ступени затухания энергетического потенциала ( Z), представлен в виде огибающей 5. Проекции огибающих эхо-сигналов 4 и 5 на ось расстояний (0-Х) обозначены соответственно через R₁ и R₂. При определении проекций огибающих эхо-сигнала R₁ и R₂ берется начальный участок огибающих 4 и 5, ограниченный максимумом интенсивности эхо-сигнала (Z_R ). На чертеже данные участки обозначены жирной линией.

Способ измерения радиолокационной отражаемости облачной среды реализуется следующим образом.

Предварительно осуществляют радиолокационное зондирование облака на заданной длине волны, например 10 см, и выделяют в нем исследуемую локальную область 3, где необходимо определить радиолокационную отражаемость облачной среды. В процессе зондирования облака 2 осуществляют прием эхо-сигнала от исследуемой локальной ее области 3 и отображают его на экране радара 1 в виде огибающей 4. После этого осуществляют некогерентную обработку сигнала. Для этого с экрана радара определяют максимальную амплитуду сигнала (Z_R) под огибающей 4 и расстояние (R) от радара до найденного уровня (Z_R ). Далее, используя найденные значения (R) и (Z_R), расчетным путем находят максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.1) и максимальную амплитуду сигнала (Z_R) под огибающей 4. Для повышения точности измерения радиолокационной отражаемости дополнительно осуществляют когерентную обработку сигнала и определяют максимальную дальность аппаратурного контакта (R_max.2) по формуле

где

а R_e - единичное расстояние, равное 1 км

и геометрический путь (R_max.г ), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1), по формуле

затем определяют электромагнитную плотность облачной среды (D) по формуле

.

Пример конкретного выполнения способа

В качестве примера приводится результат измерения в полевых условиях радиолокационной отражаемости, где использовался метеорологический радар типа МРЛ-5, имеющий в штатном режиме постоянную C =2,5·10²⁶ см³ и длину волны излучения =10 см.

В процессе радиолокационного зондирования в облаке был выделен локальный объем облачной среды, создающей в точке приема отраженный сигнал со следующими параметрами:

R=78 км; Z_R=18 дБ (в одном направлении); R₁=6,2 км; R₂=4,0 км; Z=9 дб - в одном направлении. Значения Z_R, R₁ и R₂ определены с экрана радара по огибающей эхо-сигнала.

Используя исходные данные, определяем:

1. Максимальную дальность аппаратурного контакта при некогерентной обработке сигнала:

2. Максимальную интенсивность эхо-сигнала:

3. Максимальную дальность аппаратурного контакта при когерентной обработке сигнала:

4. Геометрический путь (R_max.г ), соответствующий максимальной дальности аппаратурного контакта (R_max.1):

5. Значение электромагнитной плотности облачной среды (D), соответствующей найденному значению геометрического пути:

Полученное таким образом значение электромагнитной плотности может быть использовано для определения с высокой точностью таких параметров атмосферной среды, как отражаемость, водность, суммарное количество воды в облаке и т.д.

Предлагаемый способ в сравнении с известным обеспечивает высокую точность измерения параметров облачной среды за счет когерентной обработки сигнала, позволяющей учесть влияние на точность результата содержания воды в исследуемой ее части как в виде пара, так и в виде облачных частиц и гидрометеоров.