Экспериментальная проверка способности обнаружения метеообразований новым посадочным радиолокатором

Радиолокационное оборудование большей части аэродромов в настоящее время устарело и нуждается в модернизации. Разрабатываемые радиолокаторы посадки нового поколения, помимо непосредственной задачи контроля глиссады заходящего на. посадку самолета, позволят также получать информацию о метеообразованиях в зоне ответственности. Особенностью предлагаемой структуры радиолокатора является параллельный обзор пространства, работа в непрерывном режиме и использование круговой поляризации антенной системы в Х-диапазоне. Реализация разрабатываемых алгоритмов контроля над метеообразованиями позволит обеспечить получение полной информации как о воздушных судах, так и о состоянии атмосферы в зоне посадки, при помощи посадочного радиолокатора.

Цель работы состоит в исследовании способности обнаружения облака и оценивания интенсивности осадков в зоне ответственности локатора, основанного на. использовании энергических характеристик принимаемого сигнала.

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2020

2.    Принципы метеорадиолокации

В радиолокационной метеорологии принято рассматривать метеообразования как совокупность большого количества отдельных метеочастиц (капель воды, снег, градин и т.д.). Размер этих частиц достаточно мал по сравнению с длиной волны, и для нашего радиолока тора их можно считать точечными целями. В силу того, что отраженный от точечной цели сигнал повторяет по форме зондирующий, его средняя мощность определяется основным уравнением радиолокации [1]:

_ PGAk

^P = (4тг)²Д4 ^’

где R — дальность до цели; P — средняя мощность передатчика; ст_ц — эффективной площадь рассеяния (ЭПР) цели; к — множитель ослабления; G — коэффициент усиления передающей антенны; A — эффективная площадь принимающей антенны.

Для оценки отражающих свойств частиц облаков и осадков применяется ряд связанных между собой характеристик: эффективная площадь рассеяния т-й частицей ид удельная площадь обратного рассеяния частиц облаков и осадков ту и радиолокационная отражае мость Z^.

Для расчета эффективной площади рассеяния т-й частицей оу осуществляется функция Бесселя и Ханкеля [1]: , 2 к=^

^ = тЬ | Е(ск -Ьк)|2,                             (2)

16тг2 z—'

к-1

где Ск и Ьк являются амплитудами парциальных волн.

Для малых частиц сферической формы ЭПР отдельного гидрометеора описывается формулой Релея [1]:

=

ГГЕ| ^m2 ^{- 1} 12

А4 Й 1 m2 + 21

где di -диаметры отражающих частиц; | ^+1 1² — комплексный показатель преломления частиц (для воды равно 0, 93 ± 0, 004 и для льда равно 0,197).

Радиолокационной отражаемостью Z^ называется величина, характеризующая отражающие свойства единичного объема гидромеиеоров. Она определяется по формуле [3]:

Z^ = Е           |2.                               (4)

^z—' m2 + 2

Из уравнения (4) величина радиолокационной отражаемости Z^ имеет следующие особенности:

• -    радиолокационная отражаемость метеообразований не зависит от длины волны А;

• -    радиолокационная отражаемость метеообразований не зависит от каких-либо технических характеристик нашего ПРЛ, используемой для радиометеорологического зондирования метеообразований.

Удельная площадь рассеяния определяется выражением у = Г5 Е -(d)d6lm2--i 12,                          (9

А⁴            m2 + 2

или

у = S ^

Формулы (4) и (5) для Zy и ту выражают еще одну особенность радиометеорологической информации: удельная площадь рассеяния и радиолокационная отражаемость сильно зависят от размеров частиц (в шестой степени) в метеорологическом объекте.

Если мы имеем ПРЛ с шириной диаграммы направленности одного луча по азимуту и углу места Ө, ^ и длительностью посылаемого сигнала T_s, то такой сигнал будет занимать в пространстве cT_s, (с — скорость распространения радиоволн).

Рассеянный от этого объема сигнал будет возвращаться к радиолокатору не из всего объема, а из его части, равной сТ₈р2\

Рис. 1. Отражающий объем облака.

Отражающий объем в радиометеорах часто называют разрешающим объемом, и такой объем V_p будет определяться выражением [4]:

ттӨ<рЙ2сТ₈ ^р = Шп2

.

В реальных условиях, особенно при наблюдении метеорологических объектов на. значительных длинных посылаемых сигналов, разрешаемый объем пространства, который увеличивается по мере роста, расстояния, может оказаться лишь частично заполненным отражающими частицами. Соответствующее уменьшение ЭПР метеорологического объекта, учитывают с помощью коэффициента заполнения: к_э. Коэффициент заполнения к_э объёма атмосферными метеочастицами будет определяться с помощью неравенства

0 <  к₃<  1.

Эффективная площадь рассеяния отражающего объема имеет вид щ, =

^ө^сТк 16Х4Ы2 Zd.

Уравнение радиолокации атмосферных метеообразований для нашего ПРЛ записывается следующим образом:

_ ^5Р^2Ө^8г8ісТ2ккз Zd

(Ю)

' =       64А⁶ ln2       R² .

где с — скорость света: S_T — геометрическая площадь приемной аптепны: St — геометрическая площадь передающей антенны; у — коэффициент использования поверхности антенн; Zd — отражаемость осадков.

Разделив обе части уравнения (10) на Рт = Рш (соответственно уровень шумов приемного устройства или минимальная мощность отраженного сигала), а также объединив технические параметры ПРЛ в одну постоянную величину (Пм), получим уравнение радиолокации атмосферных образований в сокращенном виде с учетом способа измерений мощностей отраженных сигналов:

— — ТГ — 1-1-

Р_ш = ^м РЛ ^

где величина

^5Р₇ 26^S_rStcT2

64РША6 ln2

называется метеорологическим потенциалом радиолокатора.

Параметры нашего посадочного радиолокатора (ПРЛ) представлены в таблице:

Таблица!

Параметры ПРЛ

Параметр	Значение	Значение 101g(), дБ
Р, Вт	100	20
Ts, С	ОД	-10
А, м	0,03	-15,229
St, м2	0,01	-20
Sr, м2	0,192	-7,167
с	3 •IO8	84,771
7	0,9	-0,458
0, рад	0,021	-16,792
у, рад	0,139	-8,57
Рш,Вт	1,04 •IO-18	-179,83
пм	1,158 •IO31	311

В таблице представлены постоянные значения Пм ПРЛ, которые определяют их энергетический потенциал и позволяют сравнивать различные метеолокаторы с точки зрения их эффективности для метеорологических наблюдений [1]. Чем больше потенциал, тем лучше станция приспособлена для метеонаблюдений.

Радиолокационная отражаемость облаков и осадков связана с основными их характеристиками - водностью облаков w₀6 и интенсивностью осадков I. Это обусловлено тем, что оба этих параметра зависят от размеров частиц и закона их распределения по размерам. По результатам расчетов с помощью микрофизических исследований распределения метеочастиц по размерам Маршалла и Пальмера [1, 2] была получена зависимость между Za, W_o6 и I:

• -    для облаков с d 6 29 мкм:

Za = 0, 048w2G ,(13)

• -    для снега:

Za = 2000I2,(14)

• -    для облака с осадками или дождя:

Za = 20011’6,(13)

где Zd измерявтся в мм⁶м^-3 и I в flBZ или в мм/ч.

В связи с тем, что величина Р _т /Р_ш измеряется в децибелах, от формулы (3) величину

Z^ удобно вычислить в децибелах относительно Z д = 1 по следующей формуле:

lgZd = 0,1 (10lg ^) + 20lg(^) - 10lg(nm) - 10lg(fc) - 10lg(fc?)} .

С помощью уравнения (17) по результатам измерений Р_г/Р_ш в децибелах и R при заданных параметрах радиолокатора легко получить величину IgZ^.

Отсюда ясно, что радиолокационная отражаемость является одной из основных характеристик, которая измеряется с помощью ПРЛ, и радиометеорологический метод зондирования является наиболее эффективным при обнаружении и определении метеообразования.

3.    Экспериментальные исследования способности обнаружения облака и оценивания интенсивности осадков

В рамках работ, проводимых с радиолокатором на полигоне (на базе аэродрома Змеёво в г. Тверь) 10 июля 2019 года, были проведены натурные испытания и проверка способности обнаружения облака посадочным радиолокатором. Обработка сигнальных данных проводилась в нереальном масштабе времени (анализировались записи). Использовалась только курсовая антенна.

Методика проведения эксперимента определяла следующую последовательность выполнения операций:

• -    запись сигнальных данных при выключении передатчика;

• -    запись сигнальных данных при включении передатчика и отсутствии метеообразования;

• -    запись сигнальных данных при включении передатчика и наличие метеообразования;

• -    запись сигнальных данных при включении передатчика и наличие облака с осадками в различные моменты времени.

В процессе оперативных экспериментальных исследований ряд параметров уравнения (17) определить невозможно. По этой причине введем допущение: в зоне ответственности ПРЛ не учитывается ослабление радиоволн при их распространении до цели и обратно, а также влияние подстилающей поверхности на диаграмму направленности к = 0.

В качестве испытания на рис. 2 представлены результаты первичной обработки уровня принимаемого сигнала в зависимости от расстояния: а) при выключении передачика, б) при включении передатчика и отсутствии метеообразования. По рисунку видно, что среднее значение уровня принимаемого сигнала монотоно уменьшается по расстоянию и номированой мощности шумов приемного устройства или минимальной мощности принимаемого сигнала 101одРш = 66 дБ.

На рис. За и 36 уровень отраженного сигнала от облаков был настолько велик, примерно от 10 дБ до 25 дБ больше уровня сигнала (рис. 2а и 26), без облаков, что позволял обнаружить метеоцели даже без использования порог (карты помех). Следовательно, данный новый ПРЛ может обнаруживать облака с осадками в зоне ответственности локатора на удалении до 40 км.

На рис. За приведен уровень принимаемого сигнала в 13:00 десятого июля 2019 года на аэропорте Змеёво. Здесь же указаны расстояния локатора до облака, примерно R = 11 км на протяженности M R = 4 км, соотвествуюшим 10lg к₃ = -35, 74 дБ. Подставив эти величины в формулу (17), получаем радиолокационную отражаемость Z^:

а)                                                       б)

Рис. 2. Зависимосить нормированного уровеня принимемого сигнала от расстояния а) при выключении передачика, б) при включении передатчика и отсутствии метеообразования

а)                                                       б)

Рис. 3. Зависимость уровня сигнала от дальности в 13:00 часов (а) и 16:00 (б)

Моделирование карты местности и выявленных метеобъектов осуществляется при использовании в качестве системы отображения информации на экране спецвычислителя. В качестве обработки данных на рис. 4а и 5а представлена радиолокационная карта облаков с осадками, полученная с помощью нового посадочного радиолокатора (ПРЛ).

Ниже приведены расчеты отражаемости Za и интенсивности осадков I (мм/ч) в 13:00 часов, соответствующие формулам (15) и (18) при получении отношения 101g(Pr/Pm).

Таблица2

Расчет радиолокационной отражаемости и интенсивности в 13:00 часов

10/р(Р г/Рш)	20	22	24	26	28	30
Za , zBZ	0,47	0,67	0,87	1,07	1,27	1,47
I (мм/ч)	0,07	0,10	0,13	0,17	0,23	0,30

На рис. 4а и 46 представлены Яндекс-карта осадков и фото облака на этом месте в 13:00 часов.

а

б)

Рис. 4. Карта облака с осадками по нашего ПРЛ (а), Яндекс-карта осадков в 13.00 часов в Тверской области (б) и фото облака (в)

На рис. 36 приведен уровень принимаемого сигнала в 16:00 десятого июля 2019 года на аэропорте Змеёво. Здесь же указаны расстояния локатора до облака, примерно R = 5 км на протяженности M R = 3, 5 км, соотвествуюшим 101gfc₃ = -36, 32 дБ. Подставив эти данные в формулу (17), получаем радиолокационную отражаемость Z^*.

lgZd = 0, l(101g ^

- 200,48

Ниже приведены расчеты отражаемости (дБZ) и интенсивности осадков I (мм/ч), соответствующие по формуле (15) и (19) при получение отношение 101g (Рг/Рш).

ТаблицаЗ

Расчет радиолокационной отражаемости и интенсивности в 16:00 часов

10lg (Рг/Рш)	44	45	46	47	48
Zd , abz	2,35	2,45	2,55	2,65	2,75
I (м м/ч)	1,08	1,24	1,44	1,66	1,91

а

б)

Рис. 5. Карта облака с осадками по нашему ПРЛ (а), Яндекс-карта осадков в 16.00 часов в Тверской области (б) и фото облака (в)

На рис. 4а и 5а представлены карты облака с осадками в 13.00 и в 16.00 часов в Тверской области 10 июля 2019 года на нащем радиолокаторе. На рисунке отображается метеообстановка в полярных координатах «азимут-дальность» относительно местоположения локатора. Используется следующая цветовая кодировка:

• -    На рис. 4а выделяются три зоны: синий - слабый дождь с интенсивностью меньше ОД мм/ч, жёлтый - осадки с интенсивностью 0Д-0,2 мм/ч и красный - осадки с интенсивностью больше 0,3 мм/ч.

• -    На рис. 5а выделяются три зоны: синий - слабый дождь с интенсивностью меньше 1,1 мм/ч, жёлтый - осадки с интенсивностью 1,1-1,5 мм/ч и красный - осадки с интенсивностью больше 1,9 мм/ч.

Хорошо просматривается изменение интенсивности дождя внутри зон осадков, причём одна расположена прямо по курсу локатора, относительно Яндекс-карты осадков (рис. 46 и 56) и фото облака (рис. 4в и 5в). Очевидно, что данные от ПРЛ дополняют картину распределения облачности, полученную по станционным наблюдениям, и дают информацию об облачности по территории.

Результаты экспериментальных исследований сводятся к следующим выводам:

• -    Данный ПРЛ может обнаружить облака с осадками в зоне ответственности локатора на удалении до 40 км.

• -    Карта интенсивности осадков по ПРЛ соответствует Яндекс-карте осадков и фактическим фото облаков в зоне ответственности радиолокатора.

4. Заключение

Таким образом, полученные экспериментальные данные могут быть использованы в качестве исходных для оценки способности обнаружения и классификации опасных метеорологических явлений на аэродроме. Данный посадочный радиолокатор, помимо непосредственной задачи контроля глиссады заходящего на посадку самолета, также позволяет получать информацию о метеообразованиях в зоне ответственности радиолокатора.