Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Обоснование и экспериментальная оценка методов поляризационной селекции применительно к сетевым МРЛС 3-х сантиметрового диапазона

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и экспериментальная оценка методов поляризационной селекции применительно к сетевым МРЛС 3-х сантиметрового диапазона"

р Г Б о»

ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А. И. Воейкова

на правах рукописи Журавлев Владимир Борисович

ОБОСНОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СЕЛЕКЦИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СЕТЕВЫМ. МРЛЗ 3-х САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

04.00.22. - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени гандидата физико-математических наук

САЙКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994 '

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватории имени А,К.Воейкова

Научный руководитель•- доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Ю. А.Мельник

Официальные оппоненты: доктор' физико-мауематических наук,

профессор, заведующей лабораторией ЦА' А.Б.Шупяцкий .

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт радиоаппаратуры.

Защита состоится "¿.'б "октября 1994 г. в /С часов 'ка заседании специалиаированного Совета Д 024.06.01 в Главной геофи вической обсерватории имени А.И.Воейкова по адресу; 194018, г. Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7.;

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории имени А.И.Воейкова

Автореферат разослан "¿3 1994 г.

Учений секретарь специализированного Совета, доктор географических наук,

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник А.С.Рыжков

кандидат технических наук ведущий научный сотрудник ГГО С.М.ГА.ЙЫ1ЕРИН

Профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Диссертация посвящена поляризационным методам исследования облаков и осадков: оценке возможности их использования в работе сетевых МРЛС (метеорологических радиолокационных станций) 3-х сантиметрового, диапазона.

Актуальность диссертационной работы

Радиолокационная сеть метеорологических наблюдений бывшего СССР, насчитывает более двух сотен некогерентных МРЛС. Данная сеть-предназначена для получения информации об облаках и □садках службой прогноза погоды в целях обеспечения безопасности полетов воздушного транспорта, градозащиты и других задач народнохозяйственного значения. В оперативной работе сети широко используются методы, основанные на измерении средней мощности радиолокационного сигнала или радиолокационной отражаемости, Возрастающие требования к составу и качеству получаемой информации приводят к необходимости дальнейшего совер-ленствования сети путем разработки МРЛС ноеого поколения (дол-перовских МРЛС) и новых методов радиолокационного наблюдения метеорологических объектов. Анализ доплеровских характеристик отраженного сигнала значительно обогащает наше представление о динамической структуре метеообьектов. Однако, при существующем юложении в экономике Рсссии, а также других государств, ранее зяодивпш в СССР, разработка МРЛС нового поколения представляет собой трудную задачу,* решение которой потребует больших ка-штальных вложений, и -времени. Более эффективным, с точки зре-шя скорейшего получения положительного результата при неболь-аой доработке уде имеющейся и выпускаемой промышленностью ап-гаратуры, представляется путь разработки и внедрения на сети ювых методов радиолокационного наблюдения, .Наиболее предпоч-'итедьным направлением совершенствования радиолокационной сети [вляется применение поляризационных методов. Использование по-мриэационкьи характеристик отраженного сигнала позволяет сде-щть вывод р микрохимических свойствах метеообьектов.

3 последнее десятилетие за рубежом были получены ебнад;.-а1ваюи;:е результаты по применению двойной поляризации (зокди-

рование проводят на двух ортогональных поляризациях сигнала СВЧ) для повышения точности измерения интенсивности осадков и идентификации града. Подавляющее большинство поляризационных данных йыяо получено в США на специализированных радиолокаторах Б-диапазона (с длиной волны порядка 10 см). Учитывая, что основу нашей радиолокационной сети составляют МРЛС Х-диапазона (с длиной волны порядка 3 см), важно"оценить для данного диапазона волн перспективы использования поляризационных методов применительно к отечественным сетевым МРЛ2 . Очевидно, что при переходе в Солее коротковолновый диапазон могут в значительной мере' изменяться условия рассеяния и .распространения радиоволн в гидрометеорной среде, реально достижимые точности оценки поляризационных параметров и т.п. Необходимо учитывать и климатические различия США и СНГ. - ,'..„■.

Другой важный момент, который следует подчеркнуть в связи о актуальностью данной работы, заключается в том, что экспериментальные данные о поляризационных, характеристиках радиолокационных отражений от облаков и осадков в коротковолновой части сантиметрового диапазона могут служить также, основой для разработки многопараметрических методов радиолокационного зондирования осадков 5И космоса в рамках программ глобального мониторинга атмосферы Земли. Считается, что выбор Х-диапазона волн является наиболее перспектйвным с точки зрения оптимального ■ выбора массо-габаритов МРЛС космического носителя.

Цель диссертационной работы заключается в обосновании методов поляризационной селекции с точки зрения возможности их применения в сетевых метеорологических радиолокаторах и в последующей экспериментальной оценке этих методов в Х-диапазо-не волн. . "

Для достижения указанной цели, необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать метод поляризационного зондирований облаю:в и осадков для модернизации сетевых МРЛС в Х-диапазоне волн. ■

2. Разработать требования к аппаратуре МРЛС для обеслече-■ния необходимой- точности измерения поляризационных параметров.

3. Разработать макет радиолокационного автоматизированного комплекса с поляризационной селекцией на базе сетевой МРЛС типа МРЛ-2 и соответствующего программного обеспечения для обработки сигналов с помощью ЭВМ.

4. Провести натурные наблюдения облаков и осадков различая типов и в различные сезоны года с помощью разработанного эмплекса.

5. Провести анализ полученных данных и осуществить интер-эетацию результатов наблюдений.

6. Сделать выводы из результатов проведенного исследова-ш, позволяющие получить предварительную оценку о перспектив-эсти использования режима поляризационного зондирования в се-гвых МРЛС в Х-диапазоне волн.

Научная новизна

Новыми научными результатами, диссертационной работы яв-потся:

1. Обоснование методов и формулировка требований к аппа-юуре наблюдения и системе автоматизированной обработки дан-ис при использовании режима поляризационного зондирования в »тевых МРЛС в Х-диапазоне волн.

2. разработка макета радиолокационного•автоматизированно-> комплекса с поляризационной селекцией на базе отечественной левой МРЛС, позволяющий одновременно измерять энергетичес-!е, спектральные и поляризационные параметры отражения от об-1ков и осадков в Х-диапазоне волн.

3. Статистические данные по совместному измерению радиоло-щионной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорос-I диссипации турбулентной кинетической энергии в Х-диапазоне )лн для различных типов гидрометеоров в различные сезоны года.

4. Данные измерения коэффициента взаимной корреляции отра-шных сигналов на ортогональных поляризациях от облаков, осад->в и подстилающей поверхности в Х-диапазоне волн.

5. Метод распознавания отражений от подстилающей поверхнос-I на основе измерений коэффициента взаимной корреляции горизон-ш>но и вертикально поляризованных отраженных сигналов.

Практическая ценность

1. Разработанный в рамках настоящей диссертационной рабо-

ты макет комплекса был использован в ГГО при проведении НИР по исследованию микрофизики фазового состояния облаков и осадков различных типов.

2. Накопленный опыт работы на комплексе и обоснованные в диссертации требования к аппаратуре и системе обработки1 могут быть использованы при внедрении режима поляризационного зондирования в сетевых МРЛО. '

3. Разработанный на базе экспериментальных данных метод распознавания мешающих отражений от подстилающей поверхности ' по коэффициенту взаимной корреляции может быть использован'при радиолокационном измерении осадков в сущзствующих системах автоматизированной обработки радиолокационной информации, получаемой с помощью некогерентной МРЛС.

Основные положения вносимые на защиту

1. Обоснование методов и формулировка'требований к аппаратуре наблюдения и системе автоматизированной обработки данных при использовании режима поляризационного зондирования в сетевых МРЛС в Х-диапазоне волн. .

2. Радиолокационный автоматизированный комплекс с поляризационной селекцией на базе нэкогерентной МРЛС для совместного измерения радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорости диссипации турбулентной кинетической анергии,

3. Экспериментальные результаты совместных измерений радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорости диссипации* турбулентной кинетической энергии для различных типов облаков и осадков в различные сезоны года, в режиме угломестных и азимутальных разрезов в Х-диапазоне волн.

4. Экспериментальные результаты совместного измерения радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и . коэффициента взаимной корреляции горизонтально и вертикально поляризованных сигналов, отраженных от метеообъектов и подстилающей поверхности, в Х-диапазоне воля.

5. Метод распознавания отражений от подстилающей поверхности на основе измерений коэффициента взаимной корреляции горизонтально и вертикально поляризованных отраженных сигналов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы использовались в НИР ГГО (шифр "25 Б", 1990 г.) и в совместной НИР с ВНИИРА (шифр "ШЕРХАН-ГГО" 1992 и 1993 гг.), докладывались на 0,9,10 и 11-ом Ленинградских симпозиумах " Радиолокационное исследование природных сред" (1990,1991,1992 и 1993 гг.), на 23-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (г.Харьков, 1990 г.), на Конференции " Методы и средства дистанционного зондирования атмосферы в интересах авиации " (г. Киев, 1991 г.), на Симпозиуме АР-Б/ЦКП (США, г. Даллас, 1990 г.), на Семинарах Национальной'лаборатории сильных штормов и Лаборатории • распространения вйлн (США, ш. Оклахома г.Норман, 1990 г. и л. Колорадо г, Боулдер, 1991 г.)', на Генеральной Геофизической Европейской ассамблее ( Германия, г, Виесбаден, 1991 г.)', на '6-ой конференции по радиолокационной метеорологии Американского метеорологического общества ( США, ш. Оклахома г. Нор-«ан, 1993 г.).

' Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, полу-еи один патент на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, тиска цитируемой литературы и двух приложений. Работа изложе-1 на 193 страницах. Она включает 53 рисунка и 5 таблиц, Спи->к литературы содержит' 101 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Ьо введении обоснована актуальность 'работы, сформулированы ль и основные задачи исследования, научная и практическая нность полученных результатов и положения, выносимые на вату. :

В первой главе проведен обзор методов поляризационной се-

лекции, используемых в радиометеорологии. Обоснован выбор метода дифференциальной отражаемости (метода ZDR), как наиболее приспособленного для' внедрения в сетевой некогерентной МРЛС в Х-диапазоне волн. Показана связь результата измерения величины дифференциальной отражаемости ZDR о микрофизическими параметрами наблюдаемых гидрометеоров. Проведен анализ погрешности измерений по методу ZDR.

В первом параграфе рассмотрены достоинства и недостатки наиболее разработанных в теоретическом и практическом плане методов поляризационной селекции.- метода линейного деполяризе ционного отношения, метода кругового деполяризационного отношения и метода дифференциальной отражаемости. Из перечисленнь методов метод ZDR отличается тем, что обеспечивает высокое oi .ношение сигнала к Ш5"му. мало чувствителен к действию эффекта распространения, работает при большом удалении от МРЛС, не требует высоких технических параметров аппаратуры МРЛС, позвс «чяег совмещение с измерениями доплеровских характеристик рассеяния. С точки зрения практической реализации этот метод Hai более приспособлен для существующих одноканальных сетевых дало. Величину ZDS находят как отношение средних мощностей"оi раженных сигналов» измеренных при горизонтальной и вертикальной поляризации приемо-передающего канала МРЛС. В случае лог; рифмического приемника ZDR равна разности радиолокационной о; ражаешсти на горизонтальной и вертикальной поляризации.

Ш. втором параграфе изложены некоторые сведения о теорэи ческой и экспериментальной связи дифференциальной отражаемое с микрофизическими параметрами гидрометеоров, с такими как средний размер к форма частиц, а также их степень упорядочен' кости и угол преимущественной ориентации по ансамблю, заключенному в рассеивающем объеме. Известно, 'что для упорядочена! ориентированных капель дождя измерение ZDR позволяет получить оценку среднемедианного размера капель D«, одного из трех параметров функции распределения капель по размеру N(D) Это дает возможность уточнить оценку интенсивности жидко-капельных осадков I, получаемую путем измерения радиолокационн отражаемости Z. В случае известных значений остальных двух п раметроз функции N(D): концентрации частиц и параметра распр деления. погрешность оценки I.за счет дополнительного измерз нет ZDR может быть уменьшена до 20% по сравнению с 33-60% пр

измерении только одной величины Z. Для достижения такой точности оценки I необходимо обеспечить реальную погрешность измерения ZDR порядка 0,1-0,3 дБ.

В третьем параграфе рассмотрена статистическая точность оценки дифференциальной отражаемости., При использовании черес-териодного переключения линейных поляризаций приемо-передающе-ю.канала МРЛС можно получить высокую коррелированность стра-ганных сигналов в соседних посылках зондирующего сигнала, fib-агано, Что переход от некоррелированных к сильно кйррелирован-гым сигналам отражения на ортогональных поляризациях приводит : уменьшению ошибки измерения ZDR при фиксированном времени акопления примерно в четыре раза. Это эквивалентно тому, чл ля достижения фиксированной точности оценки в случае сильно оррелиройанных сигналов отражения требуется в 16 раз' меньшее ремя накопления. Также показано, что переход на большие длины олн и частоты повторения зондирующих импульсов ( частоты по-ылок F) приводит к -значительному улучшению точности измерена. Некоторые- теоретические выкладки были подтверждены ре-уль татами эксперимента. .

В четвертом параграфе рассмотрена погрешность измерения 1фференциальной отражаемости за счет нестационарности процес-i отражения от гидрометеоров. Обнаружено,что в ряде случаев юрядка 30%), погрешность измерения ZBR остается большой и при юокой корреляции сигналов отражения- в соседних посылках, юдложено данную погрешность рассматривать как результат >енда (смещения) оценки ZDR за время наблюдения. Получено, . о при небольших временах накопления, около 0,13 с, погреш-сть измерения ZDR, обусловленная ее трендом, не зависит-от па гидрометеоров и находиться в пределах 0,2-0,4 дБ. '

В пятом параграфе отмечено влияние вида функционального еобраэования в приемнике на результат измерения ZDR. В су- . ствующих сетевых МРЛС используется логарифмический вид пре-разования, при котором статистическая точность измерения S меньше, по сравнению с линейным приемником.

Во второй главе приведен расчет основных требований к шическим параметрам антенно-волнводной системы МРЛС и к • дативному режиму поляризационного зондирования. Расчет был гаднен на модели слоя таяния, радиолокационные параметры ко-)сго были выбраны на основании полученных данных натурных

наблюдений.

В первом параграфе приведен расчет требования допустимого уровня крое с поляризации. ■ Для характеристики уроЕ.чя кросс-погяризационного излучения использовали определение величины кроссполяризационного отношения ICPR. (integrated cross polarization ratio), которое равно отношению излученной мощности паразитной- перекрестной компоненты поля к мощности согласной компоненты поля.

Во втором параграфе рассмотрено требование к симметрии глазного лепестка антенны. В качестве формы -кривых диаграммы направленности (ДН) главного лепестка в Е и Н--плоскости была выбрана зависимость Гаусса..

В третьем параграфе представлен расчет требования к допустимому уровню бокового излучения. Как и в предыдущем случае, кривая ДК главного лепестка имела аппроксимацию в виде зависимости Гаусса одинаковой ширины в Е и Н-плоскости. Область .боковых лепестков представлена постоянным уровнем излучения, по всем угловым направлениям. , •

В четвертом-параграфе рассмотрены требования к поляризационному режиму зондирования. Известно,что применение антенны с идеальными параметрами не может'предотвратить поязление ошибки ZDR ва счет пространственной изменчивости отражательной способности зондируемых ыетеообъэктов, т.е. градиента Z. Выполнение определенных требований"« оперативному режиму поляризационного зондирования направлено на уменьшение ошибки такого рода. Это требования к возможной дистанции зондирования облает; максимальной отражаемости, к минимальному угловому расстоянию между точкой измерения и границей области максимальной отражаемости и к углу осреднения по пространству при сканировании антенны. •

• При учете всех выше перечисленных факторов влияния на результат измерения ZDR, разработаны основные требования к техническим параметрам актенно-волноводной системе МРЛС: уровень кросс-поляризации не более (-)26 дБ, максимальный уровень бокового излучения не более О) 22 дБ. разность ширины главного лепестка в Е и Н-плоскости не более 2&. Выполнение перечисленных требований обеспечивает точность измерения- ZDR равную 0,1 дБ. .

Полученные значения соответствуют случаю движения антен-

ны, когда угол осреднения по пространству (угол сектора, образуемого движением луча антенны прй ее сканировании за время накопления отраженного сигнала) равен ширине угла главного лепестка в Е или Н-плоскости.

В пятом параграфе рассмотрены результаты измерения технических параметров антенны радиолокатора для комплекса с поляризационной селекцией.. Несимметричность главного лепестка составляет 8%. Максимальный уровень бокового излучения порядка (-)15 дБ. Предложены технические мероприятия по улучшению параметров антенны радиолокатора.

Третья глава содержит описание структурной схемы радиолокационного комплекса с поляризационной селекцией, этапы и алгоритм автоматизированной обработки данных, получаемых с по-ющью комплекса, и методы калибровки комплекса.

В первом параграфе приведена структурная схема комплекса, :оответствующая схеме одноканального радиолокационного полярн-«етра, предназначенного для измерений по методу гБЯ с череспе-шодным переключением поляризаций приемо-лередаюцего канала МРЛС.

Во втором параграфе рассмотрена конструкция и технические араметры ферритового переключателя поляризации. Переключатель ад разработан во Всесоюзном научно-техническом -институте ра-;иоаппаратуры (г. Ленинград) под руководством 0. И. Ваксенбурга. I результате испытания переключателя в радиолокационном комп-ексе с поляризационной селекцией установлено, что его техни-еские параметры соответствуют требованиям.к радиолокационным оляриметрам, работающий по методу ЭДЯ.

В третьем параграфе изложены этапы и алгоритм автомати-ированной обработки для измерения радиолокационной и. диффе-энциальной отражаемости и скорости диссипации турбулентной инетической энергии. Рассмотрено основное требование к систе-5 автоматизированной обработки данных, получаемых по методу ЗЯ. Приведен расчет скорости врашэния антенны при оценке ин-знсивности выпадения дождл по методу гпи в режиме реального земени.

В четвертом параграфе приведены методы калибровки компаса. Калибровка радиолокационного комплекса, работающего по яоду гоя, должна включать в себя калибровку положения госкостей ортогональных поляризаций облучателя антенны и ^енку смещения величины гоя. Последнее находят как разность

прямых потерь мощности ортогонально поляризованных сигналов в антенно-волноводной системе радиолокатора. Для проведения калибровки потребуется соответственно два вида радиолокационных мишеней - мишень с поляризационно анизотропными свойствами отражения к поляризационно изотропная мишень. В качестве изотропной мигаеки, предлагается использовать капли дождя малой интенсивности. Разработан радиолокационный отражатель, обладающей свойством поляризационной анизотропности отражения. - Данное устройство защищено патентом N 1805431 311 Н01 0 15/18.

Е четвертой главе приведены'основные результаты исследования поляризационных и спектральных свойств отражения от различных типов облаков и осадков в Х-диапазоне волн. Исследования проводились в поселке Воейково Ленинградской области (экспериментальная база ГРО) с помощью разработанного радиолокационного комплекса с поляризационной селекцией.

В первом параграфе анализируются данные по слоисто-дождевой облачности летнего периода. В результате была подтвержден возможность использования метода гйй в Х-диапазоне для класс'и-' фикацки.интенсивности жидко-капельных осадков и для идентификации шдкой и твердой фракции гидрометеоров. Шлучен новый результат, в соответствии с которым отдельные ситуации слоисто-дождевой облачности могут быть использованы для проверки , чувствительности измерений параметра 2Ш. к паразитному излучению пй боковым лепесткам и к поляризационной анизотропности прохождения радиоволн сквозь оболочку защитного колпака антенны радиолокатора. Установлено, что в слое-таяния возникают зоны максимальной турбулизованности воздуха, для которых характерны нулевые значения дифференциальной отражаемости.

Во втором параграфе рассмотрены примеры по конвективной облачности летнего периода. Показано, что измерения по методу гш при наблюдении за конвективной облачностью позволяет существенно повысить информативность радиолокационного зондирот вания при определении стадии развития облака, локализации восходящих и нисходящих потоков а облаке и идентификации осадков' жидкой и твердой фазы. При наблюдении в Х-диапазоне волн необходимо учитывать влияние эффектз распространения в жидко-ка-' пельных осадите, которое может привести к искажению результат! измерения параметра 2Ш, особенно в зоне'дальней от радиолока тора периферия облака. В атом случае погрешность измерения мо

кет достигать величины порядка 1"дБ.

В третьем параграфе приведены' разрезы облачности и осадков зимнего периода. В результате анализа примеров показано, что,, несмотря на больше разнообразие форм частиц снежных зарядов, не удается увидеть достаточна сильной связи параметров формы частиц с величиной гОИ. Более того, сне'жяым осадкам двойственно.однородное распределение дифференциальной отр&лае-мости.

В пятой главе рассмотрены результаты исследования коэффициенте взаимной корреляции на ортогональных поляризациях в X-циапазоне волн. Постановка натурного эксперимента, ¿тамерения и анализ результатов измерений, а также разработка рекомендаций по использованию'Коэффициента взаимной корреляции стали предметом обсуждения в данной главе.

2 первом параграфе приведено определение коэффициента взаимной корреляции через диагональные элементы матрицы рассе-1ния в.базисе "горизонталь-вертикаль" и рассмотрено его выражение в.терминах микрофизических, параметров гидрометеоров, то зеть через параметры распределения частиц по ||юрме и ор^ента-даи в' пространстве. Отмечено, что увеличение дисперсии частиц по форме и ориентации приводит к. уменьшению коэффициента взаимной корреляции. Значения коэффициента близки к единице 5ля капель дождя и значительно отличаются от нее в случае саотически ориентированных твердых частиц. •

. Далее описана методика измерения коэффициента' взаимной юрреляции, в соотьетствии с которой требуется переключение юляризаций не-через'одну, а через две посылки,, т.е. требуется получение последовательности ННУУННУУ. ЛЬ парам НН и УУ со-зедних посылок определяются межпериодные коэффициенты авто-крреляцгаг Т) и 1?'/у(Т) на горизонтальной и вертикальной юдяриэацпи соответственно (Т - период повторения зондирующих (шульсов), а по ларам НУ и УН находят межпериодный коэффициент Есзимной корреляции И^СТ). Искомый коэффициент взаимной юрреляции в совпадающие моменты времени рассчитывается в ¡оответствии с выражением

К!1Ч(0) = К1т/(Т)// НЬПСТ) НУУ(Т)' . (1)

Погрешность оценки НглЧО) уменьшается с увеличением вре-

мени накопления сигнала. Для F-1 кГц и при времени накопления порядка 0,5 с погрешность находится в пределах 4-8%.

Во втором параграфе анализируются данные коэффициента Rhv(O) при отражении от-гидрометеоров в Х-диапазоне волн. Показано, что в слое таяния кучево-'дождевого облака минимальные значения коэффициента Rhv(O) совпадают с максимумом величины ZDR и расположены на 100-150 м ниже максимума Z.

Показана возможность применения измерений ZDR и Rhv(O) . для поляризационной селекции жидко-капельных осадков и смешанной фракции гидрометеоров в слое таяния.

В третьем параграфе приведены результаты исследования поляризационных свойств отражения от подстилающей поверхности. Рассмотрены существующие методы распознавания отражений от местных предметов и показаны их недостатки при использовании е сетевой некогерентной МРЛС. Предложен свой подход к решении задачи распознавания, основанный ьа измерении поляризационных параметров отражения от жидко-капельных осадков и подетилающе? поверхности: 1

В ходе исследования установлено, что радиолокационные отражения от.подстилающей поверхности можно условно разделить на два класса: на отражения от стабильных и от, флуктуирующих местцых предметов. Получек результат отсутствия взаимной корреляции горизонтально и вертикально поляризованных сигналов, , отраженных от подстилающей поверхности. Показано, что селекция отражений от жидко-капельных осадков и подстилающей поверхности может быть реализована в некогерентной сетевой МРЛС при'измерении коэффициента взаимной корреляции отраженных сигналов на ортогональных поляризациях (рис. 1).

В четвертом параграфе предложен оригинальный поляризационный метод распознавания отражений от подстилающей поверхности, в соответствии с которым используют переключение поляризации приемо-передающего канала МРЛС через две посылки и после приема ортогонально поляризованных отраженных сигналов оценивают их-корреляционные свойства, путем измерения параметров Rfth(T), Rvv(T), Rhv(.T) и расчета по результатам измерения параметра Rhv(O). Далее, полученные, значения параметров сравнивают с их порогами и в результате этого сравнения выносят решение с определенной вероятностью о возможном отражении от ' подстилающей поверхности.

%

М 90 80 70 60 50 40 30

20 10

Г", 6

О 0,1 (¡2 0,3 ом 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 1. Гистограммы вероятности значений коэффициента

взаимной корреляции №у( 0) для местных предметов подстилающей поверхности (а) и для жидко-капельных осадков (б).

Приведены результаты экспериментальной оценки вероятности распознавания отражений от подстилающей поверхности пс предложенному методу. Получено, что в случае превышения мощности отражения от местного предмета над мощностью отражения от осадков вероятность обнаружения мешающего отражения от местного предмета составляет порядка 80%.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

. 1. Разработан макет радиолокационного авто! атизированногс комплекса с поляризационной селекцией на базе сетевой МРЛС, который позволяет измерять энергетические, спектральные и поляризационные параметры отражения от облаков и осадков в Х- • диапазоне волн, особенностью данного комплекса является воз'мо; ность одновременного измерения радиолокационной отражаемости, дифференциальной отражаемости и скорости.диссипации турбулентной кинетической анергии. При частоте посылок равной 500 Гц и времени накопления 1с абсолютная погрешность для Z составляет 0,4-0; 7 flBZ,. для ZDR - 0,3-0,5 дБ.

2. Сформулированы основные требования к-аппаратуре и системе автоматизированной обработки данных при измерении по метйду ZDR в Х-диапазоне волн.'

Основные, требования к аппаратуре заключаются в следующем

- уровень кроссполяризации, оцениваемый по величине ICPF. не более (-)20 дБ,

- допустимая разность по ширине ДН е Е и Н-плоскости главного лепестка не более 2%,

- уровень бокового излучения антенны не более (-)22 дБ.

Основное требование к системе автоматизированной обработ

ки заключается в обеспечении режима реального времени обработ ки данных, получаемых при накоплении выборок из 128 отсчетов отраженных сигналов, при частоте посылок равной 1 кГц и при угле осреднения по пространству,равным углу главного лепёсткг ' антенны. В этом случае скорость вращения антенны радиолокато; типа МРЛ-5 должна быть не более 0,66 об/мин.

3. Для реализации высокой точности измерений дифференциальной отражаемости требуется проведение двух видов KaniiOpoBf комплекса: калибровки положения плоскостей ортргональньгх пол; ризаций облучателя антенны и оценки смещения величины ZDR, обусловленное разностью затухания для ортогонально поляризо-

.иных сигналов в антенно-волноводной системе радиолокатора, и этого используются соответственно два в^да .калибровочных дислокационных мишеней - мишень с поляриэационно анизотропии свойствами отражения и подеривационно изотропная мишень, качестве изотропной мишени предлагается использовать капли адя малой интенсивности. Разработан трехгранный уголковый дислокационный отражатель,'Обладающий свойством поляризаци-ной анизотропности отражения, в котором в качестве одной из аней используется поляризационная решетка. Данное устройство щищено патентом.

4. Получены' статистические данные по совместному кэмере-ю радиолокационной и дифференциальной отражаемости в Х-диа- ' зоне волн для различных типов гидрометеоров в различные сены года. Составлен каталог типичных метеорологических ситуа-й для района наблюдений. Анализ полученных данных подтвержда-зффективность использования метода гои в Х-диапазоне волн я классификации интенсивности жидко-капельных осадков, для ентификации жидкой и- твердой фракции гидрометеоров и для обручения восходящих потоков в конвективной облачности.

К новым выводам по результатам анализа составленного налога относятся:

- зоны с максимальной турбулизованностью воздуха в слое яния характеризуются малыми значениями дифференциальной от-жаемостИ,

. - по параметру дифференциальной отражаемости имеется воз-' «гость локализовать нисходящие потоки в конвективной облач-2ти,

- осадкам зимнего периода свойственно достаточно однород-ъ' распределение параметра дифференциальной отражаемости,

- радиолокационные сигналы отражения от"слоисто-дождевой яачности могут быть использованы для проверки чувствитель-:ти измерений параметра к паразитному излучейию по бокот л' лепесткам и к поляризационной анизотропности прохождения ш сквозь оболочку защитного колпака антенны радиолокатора,

- при наблюдении в Х-диапазоне волн необходимо учитывать такие аффекта распространения в жидко-капельных осадках, коме может привести к искажению результата измерения парамет-201?, особенно в зоне дальней от радиолокатора периферии об-

Возможная погрешность измерения гш за счет аффекта

распространении может достигать величины порядка 1 дБ.

5. Проведено исследование коэффициента взаимной корреляции на ортогональных поляризациях Rhv(O) в Х-диапазоне волн Рассчитанные и экспериментальные оценки параметра Rh"(0) показали его зависимость от степени анизотропности частиц гидрометеоров и упорядоченности'ориентации в пространстве в рассматриваемом диапазоне волн. Абсолютная экспериментальная погрешность измерения коэффициента Rhv(O) находиться в пределах 4-8% при частоте посылок райной 1 кГц и времени накопления 0,5 с.

К новым выводам, полученным по результатам экспериментального исследования коэффициента взаимной корреляции, относятся:

- в кучево-дождевой облачности значения параметра Rhv(Ö) изменяются от 0,9 для капель дождя до 0,6 в слое таяния;

- измерения параметра Rhv(O) позволяют селектировать жи; капельные осадки.и смешанную фракцию гидрометеоров в слое таяш

- для двух видов местных предметов - флуктуирующих и стабильных - характерны1 одинаково небольшие значения коэффициента взаимной корреляции/ порядка 0,0-0,3.

6. Разработан поляризационный метод распознавания отражений от подстилающей поверхности, в соответствии с которым местные предметы обнаруживают путем измерения коэффициентов авто-и взаимной корреляции отраженных сигналов на ортогональных поля ризациях. При радиолокационном зондировании жидко-капельных осадков под малыми углами места вероятность распознавания мешающего отражения от местных предметов с помощью предложенного метода составляет порядка 60Х. Данный метод позволяет обнаруживать отражения от. местных предметов при наблюдении в режиме реального времени с помещаю некогерентных сетевых MPJIC. •.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ваксэнбург С. И., й&равлев В. Б., Мельник ¡O.A., Какарейкин Д.Б.,Рыжков A.B. Радиолокационный гампяекс д.т измерения дифференциальной отражаемости обшлагов и осадков. - Труды ГГО, 19S3, вып. ES6, с. 132-135

2. Журавлев Е. Б., Рыбакова Н. А., Рыжков В. А. О статистической точности определения дифференциальной отражаемости. -Труды ГГО, 1988, выя. 6Е6, с. 23-S9.

3. К^ра&лес В. Е. , Рыбакова RA., Рыжков В. А. Экспериментвль-

ные исследования дифференциальной отражаемости мэтеообъ-ектов. - 16-ая Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Харьков, I960. Тезисы докладов, ч. 2, с. 57.

4. Журавлев В. Б. , Рыжков А. В. ^Некоторые результаты измерения дифференциальной отражаемости метеообгектов. - Труды ГГО, 1991, вып. 535,с. 107-117. . .

5. Журавлев В, Б., Рыжков А. а Экспериментальные исследования поляризационных характеристик отражений от метеорных образований с помощью некогерентного метесрадиолокатора 3-см диапазона.- Всесоюзная научно-техническая конференция " Методы и сродства дистанционного зондирования б интересах авиации Киев. 1991. Тезисы докладов, с. 85-85.

6. Рыжков А. В., Журавлев Б. Б. Информативность поляризационных измерений в задачах радиолокационной метеорологии. Коэффициент-'-взаимной корреляции.- - Радиоэлектроника и связь. Санкт-Петербург, 1991, вып. 2, с. 23-29.

7. Рыжков. А. В.., Журавлев ЕВ. Использование двойной^ поляризации для идентификации отражений от местности при радиолокационном измерении осадков.- 2-ал научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природных сред", Муром, 1992. Тезисы докладов,

- с. 132-133. .

В. Рыжков А. В. йуравлев В. Б. Рыбакова К А. Комплексные исследования поляризационных характеристик радиолокационных сигналов от облаков и осадков. - Известия' РАН, Физика атмосферы и океана, 1992, 28, N 12, с. 36-42.

9. Ryzhkov, А. V., Yu. A. MeIniс arid V. В, Zhuravlyov. Clouds and precipitation investigations by'means of X-band polarization diversity meteorological radar. "Annals Geophysical". Proc. 16 Gen. Assembly, Wiesbaden, 1991. Supplement to vol., 9, pp. 0140-CI41.

0. Ryzhkov, A. V., V. B. Zhuravlyov and N. A. Rybakova. Observation*;' of olouds and precipitation with band polaritretric radar. Preprints, 26th Radar. Meteorology Conf., 1933, Korman, Amer. Kfetecr. Soo., p. 733-738. •

1. Ry2hkov, A. V., V. B. Zhuravlyov and M. A. Rybakova." Preliяi-nary result of X-ban<l polarization radar studies of clouds and precipitation. J. At тез. Ocean 'Teohnol., 1994,

vol 11, No 1, 5. 132-139. •' ;

- ;

г.. - ■ ' '