радиолокационная станция с одновременной двойной поляризацией

Формула изобретения

1. Метеорологическая радиолокационная станция, содержащая:

а. генератор последовательности импульсов энергии для создания радиоизлучений, пригодных для использования в метеорологической радиолокации;

b. радиочастотный делитель мощности, электрически связанный с указанным генератором последовательности импульсов, для разделения радиоизлучений на одновременные парные составляющие излучения;

c. антенну, электрически связанную с указанным делителем мощности, для передачи одновременных парных составляющих излучения в пространство управляемым образом и для сбора сигналов, отраженных от исследуемых объектов;

d. ортомодовый рупорный облучатель, расположенный на антенне для изменения одной из указанных составляющих излучения так, чтобы при передаче она имела фазу, отличающуюся от фазы другой составляющей излучения, и для приема отраженных сигналов диспаратных относительно друг друга фаз;

е. подсистему приемника, электрически связанную с антенной, для обработки отраженных сигналов, собираемых антенной;

f. причем эта подсистема приемника расположена вместе с делителем мощности, чтобы уменьшить вносимые фазовые ошибки; и

g. пару канальных циркуляторов, электрически связанных с антенной, делителем мощности и подсистемой приемника, для развязки указанных парных составляющих излучения от подсистемы приемника.

2. Радиолокационная станция по п.1, дополнительно содержащая одноканальное вращающееся соединение, соединяющее генератор последовательности импульсов энергии с делителем мощности.

3. Радиолокационная станция по п.2, в которой ортомодовый рупорный облучатель создает парные составляющие излучения, сдвинутые по фазе относительно друг друга, по существу, на 90°.

4. Радиолокационная станция по п.3, дополнительно содержащая процессор радиолокационных сигналов, электрически связанный с подсистемой приемника для обработки отраженных сигналов, принимаемых подсистемой приемника, причем этот процессор радиолокационных сигналов расположен вместе с указанным делителем мощности.

5. Радиолокационная станция по п.4, дополнительно содержащая волноводный порт, расположенный между делителем мощности и генератором последовательности импульсов энергии, для извлечения из указанных радиоизлучений опорного сигнала для использования подсистемой приемника.

6. Радиолокационная станция по п.5, в которой генератор последовательности импульсов энергии содержит клистронный генератор сигналов, при этом радиолокационная станция дополнительно содержит отвод опорного сигнала, электрически связанный с одним из указанных циркуляторов для подачи опорного сигнала в клистронный генератор.

7. Радиолокационная станция по п.1, в которой ортомодовый рупорный облучатель создает парные составляющие излучения, сдвинутые по фазе относительно друг друга, по существу, на 90°.

8. Радиолокационная станция по п.7, дополнительно содержащая процессор радиолокационных сигналов, электрически связанный с подсистемой приемника для обработки отраженных сигналов, принимаемых подсистемой приемника, причем процессор радиолокационных сигналов расположен вместе с указанным делителем мощности.

9. Радиолокационная станция по п.8, дополнительно содержащая волноводный порт, расположенный между делителем мощности и генератором последовательности импульсов энергии, для извлечения из указанных радиоизлучений опорного сигнала для использования подсистемой приемника.

10. Радиолокационная станция по п.9, содержащая единое средство для электрического соединения генератора последовательности импульсов энергии с указанным делителем мощности во время вращения антенны.

11. Метеорологическая радиолокационная станция, содержащая:

а. устройство для генерирования радиоизлучений, пригодных для использования в метеорологической радиолокации;

b. устройство, электрически связанное с устройством генерирования, для разделения радиоизлучений на одновременные парные составляющие излучения;

c. антенну для передачи одновременных парных составляющих излучения в пространство управляемым образом и для приема сигналов, отраженных от исследуемого объекта;

d. устройство, помещенное на антенне, для изменения одной из указанных составляющих излучения так, чтобы она во время передачи имела фазу, отличающуюся от фазы другой составляющей излучения, и для приема отраженных сигналов диспаратных относительно друг друга фаз;

е. устройство, электрически связанное с антенной, для приема отраженных сигналов, принимаемых антенной, причем указанное устройство приема располагается вместе с устройством разделения радиоизлучений, чтобы уменьшить вносимые фазовые ошибки; и

f. первое и второе устройства, электрически связанные с антенной, устройством разделения и устройством приема, для развязки парных составляющих излучения от указанного устройства приема.

12. Радиолокационная станция по п.11, в которой устройство изменения фазы создает парные составляющие излучения, сдвинутые по фазе относительно друг друга, по существу, на 90°.

13. Радиолокационная станция по п.12, дополнительно содержащая волноводный порт, расположенный между делителем мощности и генератором последовательности импульсов энергии, для извлечения из указанных радиоизлучений опорного сигнала для использования подсистемой приемника.

14. Радиолокационная станция по п.13, дополнительно содержащая процессор радиолокационных сигналов, электрически связанный с устройством приема для обработки отраженных сигналов, принимаемых устройством приема, при этом процессор радиолокационных сигналов расположен вместе с указанным устройством разделения радиоизлучений.

15. Радиолокационная станция по п.13, дополнительно содержащая одноканальное вращающееся соединение, соединяющее устройство для генерирования радиоизлучений с устройством разделения радиоизлучений.

16. Способ использования радиоизлучений с одновременной двойной поляризацией в радиолокационной станции для улучшения метеорологических данных об отражательной способности, включающий:

а. генерирование радиоизлучения, пригодного для использования в радиолокационной системе;

b. разделение радиоизлучения на парные составляющие излучения;

c. пропускание указанных составляющих излучения через ортомодовый рупорный облучатель, чтобы изменить фазу одной из составляющих относительно другой составляющей, по существу, на 90°;

d. одновременное направление излучений с двойной поляризацией в пространство управляемым образом;

е. прием поляризованных сигналов, отраженных от исследуемых объектов в результате указанного направления излучений с двойной поляризацией в пространство;

f. передачу принимаемых поляризованных отраженных сигналов в подсистему приемника без пропускания их через вращающееся соединение; и

g. обработку указанных отраженных сигналов в подсистеме приемника для формирования данных радиолокационного зондирования.

17. Способ по п.16, в котором указанный прием включает сбор указанных отраженных сигналов антенной и фокусировку их на ортомодовом рупорном облучателе для создания отдельных сигналов приема, сдвинутых по фазе относительно друг друга, по существу, на 90°.

18. Способ по п.17, в котором указанное генерирование радиоизлучения, пригодного для использования в радиолокационной системе, включает использование одноканального вращающегося соединения для электрического подключения источника радиоизлучения к ортомодовому рупорному облучателю, а указанную обработку выполняют в подсистеме приемника, расположенной выше указанного одноканального вращающегося соединения.

19. Способ по п.18, в котором указанную обработку выполняют в подсистеме приемника, расположенной вместе с делителем мощности.

20. Способ по п.17, включающий подачу указанных радиоизлучений от генератора радиоизлучения к радиочастотному делителю мощности через одноканальное вращающееся соединение.

21. Способ по п.20, в котором указанную обработку выполняют в подсистеме приемника, расположенной вместе с делителем мощности.

22. Способ по п.16, включающий подачу указанных радиоизлучений от генератора радиоизлучения к радиочастотному делителю мощности через одноканальное вращающееся соединение.

23. Способ по п.16, в котором указанную обработку выполняют в подсистеме приемника, расположенной вместе с делителем мощности.

24. Метеорологическая радиолокационная станция, содержащая:

а. генератор последовательности импульсов энергии для создания радиоизлучений, пригодных для использования в метеорологической радиолокации;

b. радиолокационный приемопередатчик, электрически связанный с указанным генератором последовательности импульсов и содержащий:

i. радиочастотный делитель мощности для разделения радиоизлучений на одновременные парные составляющие излучения;

ii. антенну для передачи одновременных парных составляющих излучения в пространство управляемым образом и для приема сигналов, отраженных от исследуемых объектов;

iii. ортомодовый рупорный облучатель, расположенный рядом с антенной для изменения одной из указанных составляющих излучения так, чтобы во время передачи она имела фазу, отличающуюся от фазы другой составляющей излучения, и для приема отраженных сигналов диспаратных относительно друг друга фаз;

iv. азимутальное вращающееся соединение, позволяющее вращать антенну;

v. угломестное вращающееся соединение для наведения по углу места, расположенное вблизи от азимутального вращающегося соединения и позволяющее наклонять и поднимать антенну;

vi. подсистему приемника, расположенную выше азимутального и угломестного вращающихся соединений для приема отраженных сигналов, собираемых антенной; и

vii. пару канальных циркуляторов для развязки парных составляющих излучения от подсистемы приемника; и

с. основание для поддержки указанного приемопередатчика.

25. Радиолокационная станция по п.24, в которой генератор последовательности импульсов энергии содержит клистронный генератор сигналов, при этом радиолокационная станция дополнительно содержит отвод опорного сигнала, электрически связанный с одним из циркуляторов для подачи опорного сигнала в клистронный генератор.

26. Радиолокационная станция по п.25, дополнительно содержащая одноканальное вращающееся соединение, соединяющее генератор последовательности импульсов энергии с делителем мощности.

27. Радиолокационная станция по п.26, дополнительно содержащая процессор радиолокационных сигналов, электрически связанный с подсистемой приемника для обработки отраженных сигналов, принимаемых подсистемой приемника.

28. Радиолокационная станция по п.27, в которой ортомодовый рупорный облучатель создает парные составляющие излучения, сдвинутые по фазе относительно друг друга, по существу, на 90°.

29. Метеорологическая радиолокационная станция, содержащая:

а. устройство для генерирования радиоизлучений, пригодных для использования в метеорологической радиолокации;

b. радиолокационный приемопередатчик, электрически связанный с указанным генератором последовательности импульсов и содержащий:

i. устройство, электрически связанное с устройством генерирования, для разделения указанных радиоизлучений на одновременные парные составляющие излучения;

ii. антенну для передачи одновременных парных составляющих излучения в пространство управляемым образом и для приема сигналов, отраженных от исследуемых объектов;

iii. устройство, помещенное на антенне для изменения одной из указанных составляющих излучения так, чтобы она во время передачи имела фазу, отличающуюся от фазы другой составляющей излучения, и для приема отраженных сигналов диспаратных относительно друг друга фаз;

iv. устройство, позволяющее вращать антенну;

v. устройство, позволяющее увеличивать и уменьшать угол места антенны;

vi. устройство, электрически связанное с антенной, для приема отраженных сигналов, собираемых антенной, причем указанное устройство обработки расположено вместе с устройством разделения радиоизлучений для уменьшения вносимых фазовых ошибок; и

vii. первое и второе устройство, электрически связанные с антенной устройством разделения и устройством приема, для развязки указанных парных составляющих излучения от указанного устройства приема; и

c. устройство, обеспечивающее опору для поддержания указанного приемопередатчика.

30. Радиолокационная станция по п.29, в которой каждое из указанных устройств, позволяющих вращать антенну и увеличивать или уменьшать ее угол места, содержит одноканальное вращающееся соединение, соединяющее устройство генерирования радиоизлучений с устройством разделения радиоизлучений.

31. Радиолокационная станция по п.30, дополнительно содержащая волноводный порт, электрически расположенный между устройством разделения излучений и устройством генерирования излучений, для извлечения из указанных радиоизлучений опорного сигнала для использования устройством приема.

32. Радиолокационная станция по п.31, в которой все компоненты указанного радиолокационного приемопередатчика расположены вместе.

33. Радиолокационная станция по п.29, в которой все компоненты указанного радиолокационного приемопередатчика расположены вместе.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Данное изобретение в целом относится к метеорологическим радиолокационным станциям. Более конкретно, оно касается доплеровских метеорологических радиолокационных станций, использующих двойную поляризацию для улучшения разрешения отражательной способности жидких гидрометеоров.

Обзор известных технических решений

Большинство современных метеорологических радиолокационных станций при работе используют стратегию одной поляризации, чтобы увеличить коэффициент отражения от атмосферных осадков. Форма жидких гидрометеоров (например, капель дождя) отклоняется от сферической, когда их радиус больше 1 мм, и они имеют форму, более похожую на сплюснутый сфероид с уплощенным основанием (похожий на булочку для гамбургера), который дает немного более сильное отражение сигнала с горизонтальной поляризацией. Поэтому современные радиолокационные стации обычно используют горизонтальную поляризацию, чтобы увеличить отражение от атмосферных осадков.

Однако радиолокационные станции с одной поляризацией имеют серьезные ограничения в областях с частичным затенением луча и не обеспечивают классификации гидрометеоров. Чтобы преодолеть эти недостатки метеорологических радиолокационных станций с одной поляризацией, были разработаны системы с чередующимися импульсами горизонтально и вертикально поляризованных сигналов. Такие радиолокационные станции с двойной поляризацией, иногда называемые "поляриметрическими метеорологическими радиолокационными станциями", обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с обычными радиолокаторами при оценке типа и количества атмосферных осадков. Самыми главными среди этих преимуществ является способность различать град и дождь, обнаруживать осадки со смешанной фазой и оценивать объем дождевых осадков.

Современные радиолокационные станции с двойной поляризацией используют последовательное чередование линейной вертикальной и линейной горизонтальной поляризаций для сбора расширенных данных, таких как, например: (1) коэффициенты отражения при горизонтальной и вертикальной поляризации; (2) дифференциальная отражательная способность для двух коэффициентов отражения; (3) кумулятивный сдвиг по фазе между горизонтально и вертикально поляризованными эхо-сигналами;

(4) коэффициенты корреляции между вертикально и горизонтально поляризованными эхо-сигналами; и (5) коэффициенты деполяризации линейно поляризованного излучения. Кроме того, доплеровская скорость и ширина спектра могут быть получены путем соответствующей обработки горизонтально и вертикально поляризованных отраженных сигналов.

Радиолокационные станции с двойной поляризацией также обеспечивают классификацию осадков путем аналитической обработки обнаруженных радиолокатором форм гидрометеоров, что описано в различных документах, авторы которых, такие как Ryzhkov, Liu, Vivekanandan и Zrnic, практически работают в этих областях. Кроме того, путем контроля разности фаз между горизонтальной и вертикальной составляющими могут быть смягчены эффекты частичного затенения луча и может быть достигнуто большее подавление мешающих отражений. Однако базовым допущением является то, что последовательные импульсы (каждой поляризации) являются высококоррелированными и обеспечивают эффективный диапазон скорости, уменьшенный в два раза.

В то время как радиолокационные станции с двойной поляризацией обеспечивают улучшенное разрешение параметров гидрометеоров, современные системы обычно используют быстродействующие волноводные переключатели мощности, чтобы переключать передаваемую мощность между двумя волноводными каналами. Использование волноводных переключателей для разделения ортогональных колебаний имеет практические ограничения, которые по ряду причин, рассмотренных ниже, мешают широкому использованию радиолокационных станций с двойной поляризацией.

Современные метеорологические радиолокационные станции с двойной поляризацией переключают вид поляризации импульс за импульсом, как показано на схеме типичной станции 10 на фиг.1. Чтобы выполнять переключение поляризации используется быстродействующий волноводный переключатель 17 мощности (называемый в промышленности общим термином "ортомодовый волноводный переключатель"), служащий для переключения передаваемой мощности между горизонтально ориентированным волноводом 18 и вертикально ориентированным волноводом 19. Волноводный поляризационный сдвиг вызывается эффектом Фарадея, что является хорошо известной техникой. Эта типичная станция содержит элементы, известные в данной области техники, такие как передатчик 11 на основе клистрона, двунаправленный ответвитель 12, канальный циркулятор 13, цифровой приемник 14. вращающиеся соединения 15, например угломестное и азимутальное сочленения (используемые для наведения антенны по углу места и азимуту), и необходимая опора 16 с рупорными облучателями и антенной.

Такая станция подобна той, которую описывает Zrnic в патенте США № 5500646, за исключением того, что Zrnic описывает абстрактную конструкцию радиолокационной станции с одновременной двойной поляризацией, обеспечиваемой путем замены ортомодового переключателя делителем мощности и ортомодовым соединением с рупорным облучателем антенны. Также Zrnic выполнил различные расчеты, относящиеся к радиолокационным станциям с одновременной двойной поляризацией, описанным в патенте США № 5500646, еще не известные в промышленности, и такие расчеты включены в данное описание путем ссылки на известную информацию и применимы для описываемых здесь станций. В то время как в патенте США № 5500646 представлена умозрительная станция с одновременной двойной поляризацией, здесь предлагается усовершенствование таких станций, позволяющее реально использовать их в современной метеорологической радиолокации, как будет описано ниже. Сегодня существует ряд систем для реального сбора радиолокационных данных и введения их в локальные рабочие станции или национальную сеть радиолокационных установок. Одна такая система описана в разделе 9.5 официального документа "A. Zahrai, D. Zrnic, Implementation of Polarimetric Capability for the WSR-88D (NEXRAD) Radar", изданного Американским метеорологическим обществом в 1997 г. и включенного в данное описание путем ссылки. Дополнительные пояснения, имеющие отношение к сбору данных об отражательной способности целей и обработке таких данных, здесь не будут приведены, так как материалы, на которые сделаны ссылки, описывают базовую теорию и работу таких систем, и такая информация уже известна в промышленности и не требуется для полного понимания описываемого здесь изобретения.

Для систем с чередованием двух поляризаций главной практической проблемой являются ограничения, связанные с использованием переключателя 17 мощности. Эти переключатели являются специализированными частями оборудования и имеют тенденцию быть очень дорогостоящими и сложными в обслуживании. Кроме того, они обеспечивают относительно слабую развязку между двумя режимами поляризации. Изготовители, знакомые с установкой и техническим обслуживанием этих систем в полевых условиях, нашли, что надежность переключателей мощности двух поляризаций уменьшается по мере снижения частоты излучения, что ограничивает практическое использование метеорологических радиолокационных станций с двойной поляризацией.

Переключатель 17 двух поляризаций представляет собой устройство для поворота плоскости поляризации на основе феррита. Переключатель работает путем возбуждения магнитного поля в ферритовом сердечнике перед передачей импульса. Взаимодействие магнитного поля и электромагнитного импульса вызывает эффект Фарадея, то есть вращение плоскости поляризации при прохождении импульса через заполненное ферритом пространство. Вследствие этого процесса энергия импульса направляется к одному из двух выходных портов: горизонтально ориентированному и вертикально ориентированному.

Размер ферритового сердечника зависит от длины волны и, следовательно, от рабочей частоты радиолокационной системы. Чем больше длина волны, тем большие размеры имеет ферритовый сердечник и тем больше площадь поверхности, которая будет поглощать энергию СВЧ. Специалисты в данной области техники в настоящее время полагают, что отказы переключателей при относительном низком значении частоты в S-диапазоне (то есть десятисантиметровом диапазоне длин волн) являются результатом изменений в кристаллической структуре ферритового материала, возникающих из-за повышенного поглощения энергии на этих частотах. На более высоких частотах, например, в диапазонах С и X, изготовители испытывают меньше проблем с отказами, но продолжают сталкиваться с некоторыми проблемами. Другие производители предпочитают использовать в станциях S-диапазона механические, а не электромагнитные переключатели. Однако механические переключатели имеют другие известные ограничения, такие как фиксированная рабочая частота для выбранного блока переключателя, что ограничивает эксплуатационные параметры радиолокационной системы фиксированным периодом повторения импульсов.

Другим ограничением современных радиолокационных станций с поочередной двойной поляризацией является большое время анализа и уменьшение диапазона скоростей. Любой принятый отраженный сигнал, являющийся результатом обоих типов поляризации, предполагается исходящим от одних и тех же рассеивающих объектов (например, гидрометеоров). Чтобы сопоставлять данные каналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией, в современных станциях, использующих волноводный переключатель, импульс одной поляризации передается с последующим периодом задержки (временем анализа), в течение которого принимаются отраженные сигналы. Затем посылается импульс другой поляризации, и дополнительные данные принимаются той же самой (единственной) приемной системой в течение второго времени анализа. Таким образом, прием отраженных сигналов происходит в течении этих двух периодов анализа при повороте антенны на угол в пределах одной ширины луча, результатом чего является более длительное суммарное время анализа для зондирования на каждой ширине луча. Аналогично, так как время анализа для зондирования на каждой ширине луча (вертикальная + горизонтальная поляризация) удваивается, вычислительное восприятие скорости уменьшается в два раза, что ограничивает способность современных систем разрешать относительно высокие скорости ветра в отраженных радиолокационных сигналах.

Кроме того, для вышеупомянутых моделей, описанных в патенте США № 5500646, существуют практические проблемы. Передача последовательностей радиоимпульсов по длинным волноводам вносит фазовые и амплитудные искажения в форму волн, что может мешать обработке отраженных от цели сигналов. Кроме того, передача последовательностей радиолокационных импульсов через азимутальные и угломестные сочленения, предназначенные для наведения антенны по азимуту и углу места, вносят дополнительные искажения, являющиеся причиной ослабления сигнала. Такие искажения требуют сложной обработки для их компенсации в принимаемых отраженных радиолокационных сигналах, что ограничивает надежность данных об отражательной способности целей в метеорологических радиолокационных станциях с одновременной двойной поляризацией.

Поэтому необходимо усовершенствование метеорологических радиолокационных станций с двойной поляризацией для перехода от современных режимов с чередующейся поляризацией к режимам с одновременной двойной поляризацией, чтобы решить такие проблемы как длительные периоды анализа и уменьшение диапазона скоростей, а также исключить дорогостоящие и сложные в обслуживании переключатели поляризации, используемые в настоящее время в метеорологических радиолокационных станциях с двойной поляризацией.

Сущность изобретения

Предлагается радиолокационная станция с одновременной двойной поляризацией, которая использует радиочастотный делитель мощности вместо быстродействующих переключателей поляризации, используемых в известных системах, чтобы осуществлять передачу и прием с горизонтальной и вертикальной поляризацией одновременно. Примеры выполнения современных станций также показывают необходимость размещения критических компонентов приемника выше вращающегося угломестного соединения в основании радиолокационной станции, чтобы избежать искажения последовательности радиолокационных импульсов из-за внесения фазовой ошибки в волноводе и использовать преимущества одновременной передачи поляризованных сигналов. Кроме того, введен обходной переключатель, чтобы сделать возможным переключение режимов работы радиолокационной станции, и описана конструкция устройства для приема сигнала с двойной поляризацией, позволяющая осуществлять экономичный сбор информации о коэффициенте деполяризации для выбранных областей атмосферы. Раскрытые формы осуществления изобретения устраняют имеющиеся в современных радиолокационных станциях с двойной поляризацией проблемы длинных периодов анализа и уменьшения диапазона скоростей. Кроме того, описываемые конструкции исключают относительно дорогой и ненадежный переключатель поляризации, используемый в современных станциях.

Перечень чертежей

Радиолокационная станция с двойной поляризацией, выполненная согласно изобретению, изображена на приложенных чертежах, которые являются частью описания и на которых:

Фиг.1 - схема типичной радиолокационной станции с чередующейся двойной поляризацией, известная в данной области техники.

Фиг.2 - схема предпочтительной радиолокационной станции с одновременной двойной поляризацией, имеющей радиолокационный приемник, расположенный в данном случае выше вращающегося угломестного соединителя в основании радиолокатора и с возможным обходом делителя мощности.

Фиг.3 - схема предпочтительной радиолокационной станции с одновременной двойной поляризацией, имеющей радиолокационный приемник, расположенный выше вращающегося угломестного соединителя в основании радиолокатора.

Фиг.4 - схема предпочтительной радиолокационной станции с одновременной двойной поляризацией, имеющей радиолокационный приемник, расположенный выше вращающегося угломестного соединителя в основании радиолокатора, и содержащей клистронный передатчик.

Фиг.5 - схема недорогого устройства для приема сигналов с двойной поляризацией, позволяющего собирать данные о коэффициентах деполяризации.

Предпочтительная форма осуществления изобретения

Для лучшего понимания функционирования и конструкции изобретения обратимся к чертежам. На фиг.2 в виде блок-схемы представлено сравнительно экономичное решение для создания улучшенной радиолокационной станции 20 с двойной поляризацией. Радиочастотный делитель 21 мощности делит передаваемую мощность на составляющие 21а, 21b, которые передаются возбудителю 21a, b каждой из поляризаций ортомодового рупорного облучателя 22 антенны, надлежащим образом размещенного на параболической антенне 23. Используются два приемника 24а, b, по одному для каждой поляризации, как показано. Подходящий делитель мощности, а также соответствующие волноводные соединительные элементы могут быть приобретены в фирме Coleman Microwave Co., расположенной в Edinburg, Вирджиния.

Быстродействующий переключатель (элемент 17 на фиг.1), используемый в современных радиолокационных станциях с двойной поляризацией, в данной конструкции заменен делителем 21 мощности радиочастоты. Кроме того, чтобы обеспечить развязку приемника и передатчика, добавлены два циркулятора, иногда называемые "дуплексерами": циркулятор 39 тракта горизонтальной поляризации и циркулятор 41 тракта вертикальной поляризации. Используемые циркуляторы являются типичными ферритовыми циркуляторами предпочтительно с тремя, но возможно и с четырьмя плечами - четыре плеча дают лучшие характеристики развязки и отражения. Подходящим циркулятором для данной станции является поставляемая фирмой Ferrite Components, Inc, модель СС#-35. Также добавлен второй приемник 24b. Второй приемник 24b может быть целой приемной системой или же вторым каналом многоканальной системы приема, как показано на схеме. Аналогично, в зависимости от конкретного применения, процессор сигналов может быть встроен в приемник (возможно с использованием сдвоенных процессоров сигналов), по одному для каждого канала, а процессор передачи данных может обеспечивать объединение в одно целое данных приемника и процессоров сигналов, как известно в данной области техники. Объединенная конструкция приемника - процессора сигналов, подобная той, которая может быть найдена в двухканальных платах обработки сигналов, доступных в настоящее время, является более простой, более легкой в обслуживании и, следовательно, более предпочтительной. Фирма Lassen Research выпускает цифровой приемник подходящей конструкции серии NDRX, который обладает необходимой производительностью по обработке сигналов, удовлетворяющей требованиям обработки в системе с одновременной двойной поляризацией.

Подсистема 28 передатчика может основываться на различных известных типах устройств, таких как усилитель мощности, твердотельный усилитель, генератор мощности (например, магнетрон) или импульсный клистронный усилитель. Двунаправленный ответвитель 31 подключает выход передатчика 29 к основному волноводному каналу 33 и позволяет подавать в радиолокационную систему испытательный сигнал от генератора 32 испытательного сигнала.

Волноводный порт 36 сигнала обратной связи (то есть отвод сигнала) обеспечивает подачу опорного сигнала в цифровой приемник 24 через смесители 37а-с сигналов. Опорный сигнал обеспечивает механизм обратной связи для приемника 24, чтобы компенсировать сдвиги фаз, вносимые волноводом 33 или одним или несколькими вращающимися соединениями 34, наряду с другими видами изменений сигналов, которые могут происходить после импульсного разряда передатчика. Затем делитель 21 мощности делит сигнал передатчика, подавая его в два одинаковых волновода с одинаковой мощностью. Далее циркуляторы 39 и 41 развязывают выход от делителя 21 мощности, чтобы дать возможность пропускать через волноводы 21а и 21b отраженные сигналы, которые должны приниматься цифровым приемником 24 после усиления с помощью усилителей 38Н и 38V мощности.

Приемопередатчик локальной сети Ethernet обеспечивает возможность вывода данных и прямое программирование приемника 24 или программирование подключенного процессора радиолокационного сигнала (см. фиг.3 и 4). Волоконно-оптическая линия 43 передачи данных позволяет передавать большие объемы радиолокационных данных в реальном времени в удаленные системы обработки и отображения данных. Сигнал 44 запуска системы обеспечивает синхронизированный запуск подсистемы 28 передатчика под управлением цифрового приемника. Вращение и позиционирование антенны осуществляется путем управления различными двигателями привода в основании антенны по последовательной линии 47 связи процессором 46 радиолокационного сигнала (см. фиг.3 и 4). В конфигурации, показанной на фиг.2, электронные схемы приемника предпочтительно располагаются в основании антенны радиолокатора выше вращающегося угломестного соединения. Однако описанная конфигурация может использоваться также и в тех известных конструкциях, в которых электронные схемы приемника располагаются ниже азимутального соединения, например в расположенном рядом корпусе для электронной аппаратуры.

Как очевидно специалистам в данной области техники, потенциальным недостатком системы согласно патенту США № 5500646 является деление передаваемой мощности. Например, оператору, желающему передавать и анализировать данные в режиме одной поляризации при мощности 500 кВт, потребуется передатчик мощностью 1 МВт. Решением этой проблемы является введение в волноводную структуру 33 механического передаточного переключателя, который позволяет волноводному сигналу обходить делитель мощности 21, как показано на схеме. Механические волноводные переключатели 25а, b используются для передачи сигнала в обход радиочастотного делителя 21 мощности, обходя таким образом функцию, которую он выполняет. Переключатель 25а устанавливается прямо перед входным портом делителя 21, чтобы по требованию последовательность радиолокационных импульсов полной мощности могла быть перенаправлена в обход делителя 21 на переключатель 25b. Система сконструирована так, что переключатели не срабатывают, если передаваемая мощность не отключена, чтобы никакое переключение в этом режиме не могло иметь место при генерировании передатчиком радиочастотных импульсов. Таким образом, в режиме одной поляризации может быть достигнута полная мощность излучения. Эта обводная конфигурация позволяет направлять в канал 21а горизонтальной поляризации максимальную мощность последовательности импульсов, наряду с возможностью приема сигналов с обоими состояниями поляризации. Как очевидно специалистам в данной области, передача мощности с единственной поляризацией не ограничивает возможности приема отраженных сигналов и с вертикальной, и с горизонтальной поляризацией. В режиме обхода делителя мощности может быть получена информация о коэффициенте деполяризации линейно поляризованного излучения в выбранных областях атмосферы. Волноводные передаточные переключатели, используемые в этой форме осуществления изобретения, представляют собой относительно медленные механические переключатели со временем срабатывания порядка нескольких сотен миллисекунд и приводятся в действие посредством соленоидного или вращательного электропривода. Подходящими механическими переключателями являются переключатели модели AST-187 фирмы Advanced Switch technology, Kingston, Ontario, или аналогичные переключатели.

Другой формой выполнения базовой радиолокационной станции 10 с одновременной двойной поляризацией, показанной на фиг.1, является конфигурация 45 "приемник выше угломестного соединения", показанная на фиг.3. Главным преимуществом этой формы осуществления изобретения являются улучшение показателя цена-качество в системах с одновременной двойной поляризацией. В форме осуществления изобретения, показанной на фиг.3, приемник и процессор (процессоры) сигналов устанавливаются в корпусе с регулируемым микроклиматом, расположенном выше угломестного вращающегося соединения 34 (используемого для наведения антенны по углу места) в основании радиолокатора. Эта конфигурация минимизирует число необходимых волноводных каналов, проходящих через вращающееся соединение. Двухканальные вращающиеся соединения являются дорогостоящими, а также вносят межканальные разности фаз, которые изменяются при вращении. Размещение приемников выше угломестного соединения 34 дает возможность использовать одноканальные вращающиеся соединения как для азимутальной, так и для угломестной оси вращения.

В конфигурации "приемник выше угломестного соединения" приемники 24 также размещаются физически очень близко к антенне 23, и такая компоновка позволяет разместить процессор (процессоры) 46 радиолокационных сигналов в корпусе с походящей окружающей средой рядом с цифровым приемником 24. Если бы процессор (процессоры) 46 сигналов был физически расположен около передатчика или рабочей станции, то передача данных от приемников в процессоры сигналов могла бы представлять проблему. Во-первых, для передачи данных потребовалось бы сложное и дорогостоящее контактное кольцо. Во-вторых, потоковая передача необработанных цифровых данных синфазного и квадратурного каналов на большие расстояния вносит в данные ошибки из-за внесения шумов в передающих кабелях. Из-за относительно большой ширины полосы частот, необходимой для передачи данных в радиолокационной станции с одновременной двойной поляризацией, должны использоваться дифференциальные параллельные линии передачи, и целостность данных может нарушаться из-за влияния окружающей среды с электрическими помехами. Однако в последнее время техника продвинулась настолько, что процессор (процессоры) сигналов может быть помещен вместе с приемником на антенне, с обеспечением прямой передачи результирующих мгновенных радиолокационных данных в присоединенную рабочую станцию. Это упрощает конструкцию узла контактных колец, требуя наличия трактов только для питания, опорного сигнала, передачи данных локальной сети Ethernet и электроприводов антенны.

Активные электронные компоненты для формы осуществления изобретения, показанной на фиг.3, такие как приемник и процессор сигналов, располагаются в малогабаритном экранированном корпусе. Корпус должен поддерживать регулируемый микроклимат, например, с помощью твердотельных блоков обогрева и охлаждения. Поддержание стабильных температурных условий является критическим для надлежащей работы радиолокационной системы. Компоненты могут выходить из строя под воздействием высоких тепловых нагрузок, и радиолокационная станция с одновременной двойной поляризацией может испытывать изменения рабочих характеристик, когда температура колеблется. Например, можно столкнуться с нестабильностью фазы и частоты, что ограничивает способность получать достоверные метеорологические данные. Однако с использованием твердотельной техники обогрева-охлаждения (например, термоэлектрического элемента Пельтье) могут поддерживаться известные климатические условия. Благодаря уменьшению размеров современных компонентов и уменьшению потребляемой ими мощности появилась возможность регулирования параметров окружающей среды для описанных выше компонентов и возможность их переноса в положение рядом с радиолокационной антенной. Таким образом, терморегуляторы на основе элементов Пельтье обеспечивают удовлетворительное решение для регулирования условий окружающей среды.

Нужно также проявить внимание к защите систем от других механических воздействий. Например, в системах на основе клистронов, компоненты системы должны быть защищены от вибраций. Синтезатор в подсистеме 29 передатчика является очень чувствительным блоком, и генерация надлежащей частоты достигается посредством стабильного кварцевого генератора или генератора 35 с цифровым управлением. Сам кварцевый кристалл чувствителен к вибрации, которая может воздействовать на резонансную частоту. Малые изменения (модуляция) собственной частоты этого кристалла создают наведенный фазовый шум, который нарушает способность обнаруживать малые метеорологические изменения в сигналах отражений. Другие блоки также подвергаются воздействию, но самым чувствительным является синтезатор. Следовательно, надлежащая защита от вибраций существенна для надлежащей работы и функционирования радиолокационных станций с одновременной двойной поляризацией.

Другой важной проблемой конструирования радиолокационных станций с одновременной двойной поляризацией является радиочастотная развязка. В области вблизи мощных радиочастотных компонентов, таких как делитель 21 мощности, имеется нестационарное электрическое и магнитное поле. Надлежащие методы защиты должны использоваться, чтобы препятствовать маскированию нежелательными радиочастотами полезных сигналов меньшего уровня. Типичными конструктивными методами защиты являются, например, экранирование металлическим экраном, использование ферритовых магнитных сердечников для минимизации синфазного шума и использование экранов из мю-металла (специального магнитного материала). Хотя эти методы хорошо известны, в радиолокационных станциях с одновременной двойной поляризацией на эти детали должно быть обращено особое внимание.

Для радиолокационных станций на основе магнетронов приемник измеряет фазочастотные соотношения на импульсной основе. Эталонный радиоимпульс поступает с отвода 36 перед делителем 21 мощности и передается через ответвитель 37а в приемник 24 для обработки. Эта техника обеспечивает максимально возможную когерентность, приближающуюся к теоретическому пределу для систем на магнетронах. Подходящие коаксиальные магнетроны модели VMC-1891A С-диапазона мощностью 250 кВт могут быть приобретены в фирме Communications and Power Industries, Beverly Division (CPI), расположенной в Beverly, Массачусетс. Блоки с другими значениями частоты и мощности, допускающие надлежащее стробирование, также поставляются фирмой CPI.

Альтернативно, радиолокационные станции 50 на основе клистрона, как показано на фиг.4, требуют использования гетеродина, расположенного в приемнике, и опорный сигнал 51 синхронизации используется для установления фазовой синхронизации с главным синтезатором частот, расположенным в передатчике 29. Как и в магнетронной станции 45, показанной на фиг.3, фактический передаваемый сигнал радиимпульс считывается через отвод 36 и обрабатывается приемником. Следовательно, компенсация сдвига фазы, вносимого процессом усиления, является автоматической, что также делает возможными очень высокие значения когерентности. Подходящие импульсные клистронные усилители серии VKC или VKS могут быть получены от фирмы CPI.

Если обратиться к фиг.5, то можно увидеть, что может быть создана относительно недорогая конструкция приемника, расположенного выше угломестного соединения и осуществляющего одновременный прием сигналов с двойной поляризацией. Как показано на схеме, элементы обходного тракта 25 и делителя 21 мощности заменены портом 56 отвода, который позволяет опорным сигналам поступать параллельно на смеситель 37 и смеситель 59. Последовательность 21 импульсов максимальной мощности с горизонтальной поляризацией проходит через циркулятор 39 и поступает в рупорный облучатель 22 через порт 21а. Затем ортомодовый рупорный облучатель одновременно принимает горизонтально (21а) и вертикально (57а) поляризованные отраженные сигналы, а коаксиальный переключатель 58 под управлением процессора радиолокатора (или другого подходящего устройства логического управления) обрабатывает горизонтальную 21 или вертикальную 57 составляющие отраженного сигнала, как предписывается соответствующей программой управления процессором радиолокатора. Получившаяся в результате станция требует меньше необходимых аппаратных приемных средств и обеспечивает возможность экономичного приема и обработки данных о коэффициенте деполяризации линейно поляризованных сигналов.

Раскрытые формы осуществления изобретения описывают практические конструкции метеорологической радиолокационной станции с двойной поляризацией, не требующие использования быстродействующих переключателей мощности двух поляризаций и позволяющие осуществлять передачу и прием с горизонтальной и вертикальной поляризацией одновременно. Эти новые конструкции устраняют имеющиеся в современных радиолокационных станциях с двойной поляризацией проблемы длительного времени анализа и уменьшения диапазона скоростей. Кроме того, исключается дорогой и в некоторых исполнениях ненадежный переключатель поляризации.

Преимущества практических конструкций станций с одновременной двойной поляризацией существенны. Они дают намного больше информации о гидрометеорах, позволяя определять полную матрицу рассеяния и корректировать частичное затенение луча посредством дифференциально-фазовых методов, обеспечивают улучшенную оценку дождевых осадков и улучшенную классификацию гидрометеоров.

Хотя изобретение описано на примере одной формы его осуществления, специалистам будет очевидно, что оно не ограничивается ею, а может подвергаться различным изменениям без выхода за пределы его сущности.

Литература

1. Doviak, R.J., V. Bringi, A. Ryzhkov, A. Zahrai, D.S.Zrnic. Considerations for Polarimetric Upgrades to Operational WSR-88D Radars. J. Atmos. and Oceanic Tech, 2000.17,257-278.

2. Liu, Y., J.W.Conway, E.A.Brandes, A.V.Ryzhkov, J. Vivekanandan, D.S.Zrnic, R. Oye. The use of polarization data in the operational identification of hydrometeor and non-hydrometeor targets. Preprints, 29th Conf. Radar Meteor. Montreal, Canada: American Meteorological Society 1999:178-179

3. Ryzhkov A., R.Lopez, R. Fulton, D. Zrnic, T. Schuur, Y. Liu. "Hydrometeor classification with a polarimetric radar for improved rainfall measurements and detection of hail and electrically charged regions. Preprints . 29th Conference on Radar Meteorology Montreal, Canada: American Meteorological Society, 1999:289-292.

4. Ryzhkov, A.V. D. S.Zrnic. "Discrimination between rain and snow with a polarimetric radar". Journal of Applied Meteorology 1999:1228-1240.

5. Ryzhkov, A.V., D.S.Zrnic, R.Fulton. "Area Rainfall Estimates Using Differential Phase". Journal of Applied Meteorology 2000:263-268.

6. Skolnik, Merrill I. Introduction to Radar Systems. New York: 3^rd ed 2001.

7. Vivekanandan, J., D.S.Zrnic, S.M.Ellis, R. Oye, A.V.Ryzhkov, J.Straka. "Cloud microphysics retrieval using S-band dual- polarization radar measurements." Bulletin of the American Meteorological Society 1999: 381-388.

8. Zahrai Alien, Dr. Dusan Zrnic. "Implementation of Polarimetric Capability for the WSR-88D (NEXRAD) Radar." Long Beach, CA. American Meteorological Society 1997.

9. Zrnic, D.S., A.V.Ryzhkov. "Polarimetry for weather surveillance radars". Bulletin of the American Meteorological Society 1999: 389-406.