УДК 621.396 .

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
серия Радиофизика и радиотехника
2009
№ 152
УДК 621.396
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕТОВ НА ОСНОВЕ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
МРЛС
А.И. ЛОГВИН, П.П. СОКОЛ
В статье предложены новые алгоритмы обработки отраженных от
метеобразований радиолокационных сигналов, на основе совершенствования уже
существующих в современных РЛС алгоритмов.
Одним из основных типов, используемых в современных системах
УВД, метеорологических радиолокационных станций является - МРЛ-5.
МРЛ-5 - это РЛС градозащиты и штормового предупреждения,
позволяющий обнаруживать градовые очаги в облаках, измерять их
координаты и определять физические характеристики, обнаруживать и
определять местонахождение очагов гроз и ливневых осадков в радиусе до
300 км, определять горизонтальную и вертикальную протяженность
метеообразований, над местом установки РЛС верхнюю границу облаков
любых форм и их нижнюю границу при отсутствии падающих из них
осадков, измерять среднюю мощность радиоэха от облачных образований
и т.д.
Основные особенности МРЛ-5:
работает в двух диапазонах длин волн, при этом режим
штормооповещения может осуществляться на каждом из
каналов, а режим обслуживания градозащиты – при
совместной работе обоих каналов;
интенсивность радиоэха метеоцелей и их коэффициенты,
измеренные на любом канале, позволяют определить тип
метеоцели, а по изображению на индикаторах 1-го и 2-го
каналов и значению отношения радиоэха можно опознать
градовые очаги и определить размеры градин, при этом
количественные
характеристики
градовых
очагов
определяются автоматически;
сопряжен
с
аппаратурой
автоматической
обработки
радиолокационной метеоинформации;
в составе аппаратуры может быть автоматический пеленгатор
гроз.
Представленный выше материал свидетельствует о том, что
используемые в современной ГА метеорологические радиолокационные
станции (МРЛС) решают крайне ограниченный круг задач, т.е. в основном
они могут выявлять грозовые очаги с оценкой их интенсивности и
определять с достаточной точностью интенсивность дождя. Для
современного уровня развития ГА этого совершенно не достаточно, если
учесть полный перечень метеоявлений, используемых в метеосводках для
взлета и посадки, а это [1]: туман, туман наземный, туман
просвечивающий, туман на расстоянии, дымка, гроза фронтальная, гроза с
дождем, гроза с пыльной или песчаной бурей, гроза с градом, гроза сухая,
зарница, град, ледяные иглы, ледяная крупа, морось, сильная морось,
переохлажденная морось, ледяной дождь, ливни из снега и дождя,
ливневый дождь, дождь, сильный дождь, переохлажденный дождь,
ливневый снег, снег, сильный снег, снежные зерна, гололедица, смерч,
пыльная буря, пыльная мгла, пыльный вихрь, общая метель, поземок,
шквал, низовая метель.
В то же время современное развитие радиолокационной техники
позволяет проводить существенно более тонкий анализ метеоявлений,
используя новые подходы в обработке радиолокационных сигналов, не
создавая новых образцов РЛС, а меняя и дополняя их алгоритмы
обработки отражаемых от метеоэлементов радиолокационных сигналов.
Основная идея этой обработки заключается в использовании
поляризационных свойств отраженных сигналов, так как поляризационное
состояние отраженной радиоволны зависит от геометрических
особенностей отражаемых объектов. Соответственно, частицы снега,
града, дождя, тумана и т.д. будут по-разному отражать падающую
радиоволну с точки зрения изменения ее поляризационного состояния. Это
можно зафиксировать достаточно точно, если изменять поляризационное
состояние передаваемой радиоволны. В современных МРЛС, как
бортовых, так и наземных такие возможности имеются, однако эти
возможности с точки зрения построения соответствующих алгоритмов
обработки отраженных радиосигналов, не используются на практике.
Второй возможностью проведения более тонкого анализа
структуры метеоявлений является использование эффекта Доплера, суть
которого заключается в изменении частоты сигнала, отраженного от
движущегося объекта. Так как скорость падения метеочастиц совершенно
различна, например скорость падения снежинок много меньше скорости
падения градинок, то это можно использовать для их идентификации.
Сочетание этих двух подходов может позволить проводить анализ
возникающих метеоявлений с намного более высокой точностью, чем это
обеспечивает современные МРЛС.
Гидрометеоры, такие как капли дождя или снежинки, имеют
свойство рассеивать падающие электромагнитные волны. МРЛС
используют это свойство. Они передают закодированный радиосигнал в
дождь и измеряют отраженную энергию. Если код сигнала изменился,
информация о гидрометеорах содержится в полученном измененном коде.
Сигнал можно кодировать по фазе и поляризации. Изменение этих двух
вариаций кода дает информацию относительно скорости, формы, размера,
пространственной ориентации и типа гидрометеоров. Изменение
поляризации наблюдается МРЛС по дифференциалу коэффициента
отражения Zdr который представляет собой отношение горизонтального
коэффициента отражения к вертикальному коэффициенту отражения,
линейному отношению деполяризации Ldr, и горизонтальному
коэффициенту отражения Zh. Фазовращение проявляется в скоростном
спектре Доплера, который охарактеризован средней доплеровской
скоростью Vd и шириной спектра доплеровских частот для дождя - Wd.
Радарные измерения чувствительны к изменениям в микроструктуре
осадков. Это допускает исследование различных метеорологических
процессов, анализируя корреляцию полученных радарных измерений.
Например, анализ дождя, как явления, показал сильную взаимосвязь
между Ldr и Wd. Это происходит из-за действия турбулентности. Используя
соответствующие
значения
параметров,
которые
описывают
микроструктуру дождя, моделируются диаграммы рассеяния силы дождя.
Распределение размеров осадков может быть описано гамма
функцией с тремя параметрами: медиана размера падающих осадков D0,
дисперсия, и масштабирование N0. Традиционно, только один или два
параметра получен путем радиолокационных измерений, но комбинации
Zh, Zdr, и Wd. допускает образование всех трех. Поэтому спектр
доплеровских частот может быть откорректирован c учетом влияния
турбулентности.
На основе представленных материалов можно сделать вывод, что
имеются возможности на базе имеющихся МРЛС провести их
модернизацию путем изменения алгоритмов обработки принимаемых
радиолокационных сигналов с учетом поляризационного разнесения
(самополяризационное разнесение в современных МРЛС имеются) и с
учетом эффекта Доплера, но по отношению к разным метеоэлементам
(снег, дождь, град и т.д.)
ЛИТЕРАТУРА
1.
Наставление по метеорологическому обеспечению полетов.
НМО-95. –М.: Воздушный транспорт, 1995
2. Козлов А.И. и др. Поляризация радиоволн. В 3-х томах. М.:
Радиотехника, 2005-2009 гг.
POSSIBILITIES FOR IMPROVING THE METEOROLOGICAL SERVICE
OF FLIGHTS BASED IMPROVEMENT OF THE ALGORITHM OF
FUNCTIONING METEOROLOGICAL RADAR
In article new algorithms for processing the reflected radar signals from
hydrometeors, based on the improvement of existing in modern radar algorithms.
Сведения об авторах
Логвин Александр Иванович, 1944 г.р., окончил КГУ (1966),
академик Российской академии транспорта, профессор, доктор технических
наук, автор более 400 научных работ, область научных интересов –
радиолокация, техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования,
управление воздушным движением.
Сокол Павел Павлович, 1983 г.р., окончил МГУПИ (2005),
соискатель МГТУ ГА, область научных интересов – радиолокация и
управление воздушным движением.