Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Кононов, Михаил Александрович

• Кононов, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кононов, Михаил Александрович

Введение.

Глава 1 Обзор методов и средств ветровых измерений в атмосфере.

1.1 "Контактные" методы измерения параметров ветра.

1.1.1 Анемометры.

1.1.2 Шар-зонды.

1.2 Дистанционные методы определения параметров ветра.

1.2.1 Акустические методы.

1.2.2 Радиоакустические и оптико-акустические методы.

1.2.3 Оптические методы.

1.2.4 Радиолокационные методы.

1.3 Выводы по главе 1.

Глава 2 Разработка требований к параметрам и расчет метеорологического потенциала радиолокационной измерения ветра в атмосфере в различных метеоситуациях

2.1 Радиолокационные отражения от диэлектрических неоднород-ностей.

2.2 Радиолокационные отражения от облаков, осадков и аэрозолей.

2.3 Обоснование выбора длины волны излучения ветровой PJIC.

2.4 Расчет требуемого метеорологического потенциала ветровой РЛС.

2.5 Оценка эффективности ветрового импульсно-когерентного радиолокатора при заданном расчетном метеорологическом потенциале

2.6 Формирование требований и разработка схемы РЛС.

2.7 Выводы по главе 2.

Глава 3 Разработка методики измерений, алгоритмов обработки данных и восстановления профиля ветра.

3.1 Модели формирования сигнала.

3.2 Метод "круговых диаграмм".

3.3 Методика проведения измерений.

3.4 Алгоритм обработки измерительных данных, полученных по методу "круговых диаграмм".

3.5 Анализ устойчивости метода "круговых диаграмм" методами математического моделирования.

3.6 Оценка погрешности измерения параметров ветра по методу "круговых диаграмм".

3.7 Выводы по главе 3.

Глава 4 Проверка методики измерения, отработка алгоритмов и программного обеспечения на макете 18мм ИКР.

4.1 Измерительный комплекс на базе 18мм ИКР 1PJ1133.

4.2 Настройка оборудования и модернизация алгоритма.

4.2.1 Определение градуировочной характеристики канала дальности.

4.2.2 Анализ измерительных сигналов и выработка предложений по модернизации комплекса и алгоритма.

4.2.3 Определение нормировочного спектра шумов системы.

4.3 Описание программного обеспечения.

4.4 Выводы по главе 4.

Глава 5 Натурные данные измерения ветра с помощью 8мм ИКР.

5.1 Испытания макета 8мм ветрового ИКР в ЦКБ А.

5.2 Сравнительные измерения ветра на макете 8мм ИКР и метеовышке (г. Обнинск).

5.3 Выводы по натурным измерениям.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы»

Содержание работы. Во введении отражена актуальность работы. Осуществляется постановка задач и приводится характеристика работы.

В первой главе представлен обзор методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере. Обзор отражает достоинства и недостатки, характерные различным методам и группам измерителей ветра. В классификации выделены две группы - контактные и бесконтактные методы и средства измерения ветра. Первая группа представлена в виде зондовых средств и рядом анемометров с различными принципами действия. Вторая группа отражает применение волн различной природы для измерения параметров ветра. Выделяются акустические, оптические, радиоакустические, акустооптические и радиолокационные методы и средства измерения параметров ветра. Из всего многообразия средств измерения параметров ветра на основе анализа достоинств и недостатков, в основном по "погодным" ограничениям, как наиболее перспективные особо отмечены радиолокационные средства. В разработке предложено применять радиолокационный метод измерения, а в основу создаваемого измерительного комплекса заложить доплеровский импульсно-когерентный радиолокатор (ИКР).

Вторая глава настоящей работы посвящена разработке схемы РЛС и формирования требований к параметрам и облику ИКР ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы. Ключевыми параметрами ветрового ИКР являются длина волны и энергетический потенциал. На основе анализа многообразия атмосферных рассеивателей - источников отраженных сигналов, увлекаемых ветром и несущих информацию о поле его скоростей, а таюке зависимости удельной радиолокационной отражаемости данных рассеивателей от длины волны и требований малогабаритности выбран миллиметровый диапазон длин волн радиоизлучения. Учет прозрачности атмосферы, а также степени технологического освоения позволил уточнить выбор длин волн на участке 8мм. Классификация отражателей в зависимости от погодных условий и учет их отражающих свойств в 8мм диапазоне длин волн позволили сформировать и обосновать требования к метеорологическому потенциалу ИКР. Оценки показали, что для обеспечения 99% всепогодности требуемый о метеорологический потенциал составляет 670Вт-м . Реально достижимый потенциал для малогабаритной РЛС оказался существенно меньше и составил около 80 Вт-м3. Реализация такого потенциала позволит регистрировать отраженный сигнал от слабой турбулентности с интенсивностью

1 с. 0/1

С,Г=340 м~~ на расстоянии 1000м. При этом минимальная мощность регистрируемого сигнала составит около 4-10 Вт. Оценка показала, что практическая реализация данного потенциала позволит обеспечить ветровой измерительной системе работоспособность в 96% погодных случаев. Для реализации потенциала требуется диаметр антенны Daiit=lm, а излучаемая мощность - на уровне 25Вт. Для реализации требуемого высотного разрешения 30м потребуется зондирование атмосферы импульсами длительностью т1ШП=0.5мкс с частотой повторения £П0ПТ=25кГц. Обязательным элементом измерительной системы для реализации алгоритмов обработки является система распознавания знака скорости движения рассеивателей. Предложена квадратурная схема такой системы. Сформированы требования к антенной системе, приемно-передающему тракту, АЦП. Сформирована структурная схема ИКР.

Третья глава диссертации отражает методику измерений ветра, алгоритмы обработки измерительной информации и восстановления высотного профиля ветра. В основе метода измерений лежат принципы непрерывного кругового азимутального сканирования пространства. Однако требования к оперативности измерительной системы, которые предъявляются потенциальными потребителями, например авиацией, потребовали другой методики измерений. Взамен непрерывного азимутального сканирования предложено дискретное с шагом по азимуту в 30° (12 измерений на полный круг). Предложенный метод получил название метод "круговых диаграмм". Данный метод подразумевает слоистую однородность ветрового поля. Орография земной поверхности влияет на поле ветра в приземном слое и вызывает нарушение его слоистости. Поэтому при измерении ветра необходимо проводить осреднение данных не только во времени, но в пространстве. Такую возможность как раз и предлагает метод "круговых диаграмм".

В каждом направлении зондирования в результате измерений регистрируется свой высотный профиль проекции поля скорости ветра на данное направление. Набор таких высотных профилей проекции поля ветра приводится к некоторому условному или стандартному ряду высот путем линейной интерполяции по имеющимся измерительным точкам профилей. На каждой конкретной высоте формируется картина горизонтального среза из 12-ти точек - проекций поля ветра, которая получила название "круговая диаграмма". Совместная обработка данных 12-ти точек "круговой диаграммы" осуществляется методом невязки, минимизация которой осуществляется по параметрам вектора ветра (модуль ветра V и его направление а). Параметры, удовлетворяющие минимуму невязки, принимаются за значения вектора ветра на данной высоте. Т.о. можно оценить высотный профиль ветра. Точки диаграммы участвуют при составлении невязки с учетом специальных весовых коэффициентов. Данные коэффициенты определяются на этапе получения профилей проекций по соотношению "сигнал/шум".

Каждый профиль проекции скорости ветра получается в результате специальной спектральной обработке радиолокационных сигналов. Идентификация проекции скорости движения рассеивателей на каждое направление зондирования осуществляется путем выделения доплеровской частоты в сигнале с выхода квадратурной системы ИКР. Выделение доплеровской частоты осуществляется по первым моментам спектров мощности. Доплеровский спектр мощности формируется по двум спектрам квадратурных сигналов, которые далее подвергаются специальной обработке (сглаживанию, нормированию, накоплению). Такая специальная обработка в дальнейшем обеспечивает выделение первых моментов спектра в автоматическом режиме. Уровень превышения первого момента спектра над уровнем шумов (соотношение "сигнал/шум") определяется уровень достоверности результата, который затем используется в качестве весового коэффициента в невязке. Контроль достоверности необходим в условиях "слабых" сигналов, например в условиях работы по ОЯН.

В данной главе проводились оценка погрешностей метода измерений и математическое моделирование устойчивости решения обратной задачи -минимизации невязки в различных условиях ограниченного количества направлений зондирования и при различных уровнях ошибки измерений, обусловленных турбулентностью и другими факторами. Моделирование показало устойчивость решений даже при невязке, сформированной из трех направлений зондирования. Оценка погрешностей метода "круговых диаграмм" учитывала: нестабильность параметров аппаратуры, поля отражателей и поля ветра; турбулентность ветра; погрешности позиционирования радиолокатора, оцифровки данных и их обработки. С учетом всех этих факторов получены следующие оценки среднеквадратичных погрешностей радиолокационных измерений профиля ветра: погрешность измерения высоты составляет величину порядка АН=23м, погрешность измерения модуля скорости ветра составляет величину AV= 1.8м/с, погрешность измерения азимутального направления ветра не хуже Аа=17.2°. Показано, что проведенные оценки погрешностей являются оценками сверху, которые обеспечиваются при получении достоверных измерений всего по двум направлением зондирования. В случае обеспечения шести достоверных измерений из двенадцати оценки погрешностей снижаются до величин: ДН=9.5м, AV=0.74m/c и Да=7.0°. При полном наборе из двенадцати достоверных измерений значения оценки погрешностей снижаются до величин: АН=6.7м, AV=0.5m/c и Аа=4.9°.

Четвертая глава настоящей работы описывает процесс формирования и отработки методики измерения и алгоритмов обработки информации в натурных условиях. Рассматривается модернизация и адаптация к ветровым измерениям 18мм серийного радиолокатора типа "Кредо" (1PJI133). Модернизация коснулась в первую очередь системы селекции по дальности, а во-вторых, системы сбора данных и сопряжения с ПЭВМ.

В данной главе на основе двухлетнего опыта эксплуатации системы в различных метеорологических условиях рассмотрены все этапы формирования методики измерений, алгоритмов обработки данных и процедуры восстановления высотного профиля. Алгоритмы реализованы в специальном программном обеспечении, рабочие экраны которого предложены в данной главе. Особенности алгоритмов легко позволяют их использовать в системах, работающих на любой другой длине волны.

Пятая глава диссертации отражает результаты натурных испытаний макета 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, созданного в рамках НИОКР "Механизм" совместно с ЦКБА (г. Тула). При реализации данного макета были максимально учтены требования к аппаратной и программной частям измерительного комплекса, отраженные в главах 2 и 3, соответственно. Натурные сравнительные испытания проводились на полигоне ФГУП "Метеоприбор" в г. Обнинск. При этом проводилось сравнение результатов радиолокационных измерений с данными анемометров, расположенных на разных ярусах высотной вышки. В рамках данного эксперимента была поставлена задача - осуществить испытания созданного макета 8мм ветровой ИКС и определить погрешность радиолокационного измерения ветра при различных условиях. Сравнения проводились для разных ярусов метеовышки в диапазоне высот до 300м (определяется высотой вышки). При проведении данного эксперимента в натурных условиях были проверены как методика измерений, так и математическое обеспечение, описанные в главе 3 настоящей диссертации. Сравнение результатов показало, что среднеквадратиче-ское отклонение результатов определения модуля скорости разными средствами составило 0.973м/с, а направления ветра, соответственно, 2°. Полученные различия находятся в пределах погрешности сравниваемых методов, что подтверждает надежность и точность измерения ветра в атмосфере радиолокационными средствами.

По результатам всех натурных экспериментов были сделаны выводы, главным из которых является то, что доказана возможность создания малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены как правильность выбора длины волны радиолокатора, так и расчеты его энергетического метеорологического потенциала, подтверждены методика измерений и обработки измерительной информации.

На защиту выносятся основные результаты диссертации, приведенные в заключении.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Кононов, Михаил Александрович

5.3 Выводы по натурным измерениям

По результатам всех натурных экспериментов можно сделать ряд выводов, главным из которых является то, что в принципе решен вопрос по созданию малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены правильность выбора длины волны радиолокатора, оценки его энергетического потенциала, методик проведения измерения и обработки измерительной информации.

С помощью 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, выбранного в качестве основы измерительной системы, были получены сигналы, пригодные для выделения ветровой информации, в условиях "ясного неба" и при отсутствии осадков. Спектры сигналов от ясного неба представлены на рисунках 5.6, а восстановленный профиль в слое 500м на рисунке 5.5. На данных спектрах отчетливо видно то, что уровень "полезного" сигнала допле-ровской частоты превышает уровень шумов на ЗдБ и более. Этого оказалось достаточно для выполнения операций по выделению в радиолокационном сигнале доплеровской частоты и, соответственно, скорости воздушных потоков в автоматическом режиме.

На некоторых спектрах, полученных в условиях осадков, отмечено появление несколько максимумов, (см. рисунки 5.2). Вызваны они рядом причин:

Во-первых, тем, что в широком слое осадков радиолокатор с заданными параметрами способен регистрировать отражения, пришедшие с нескольких дальностей (от нескольких импульсов). Однако интенсивность сигналов от дальних импульсов существенно меньше основного сигнала и на распознавание практически не влияет.

Во-вторых, сказывается несовершенство регистрации и оцифровки сигнала. Как следствие нелинейности системы на разных уровнях (приемный тракт, АЦП и т.д.) возникают модуляционные "разностные", а также кратные им частоты. Отметим, что чем выше уровень "полезного" доплеровского сигнала, тем выше будут паразитные модуляционные составляющие, связанные с нелинейностью системы.

В-третьих, причиной дополнительных максимумов в спектрах, могут являться отражения от движущихся посторонних объектов, например, птиц или наземных движущихся объектов. Однако отметим кратковременность данного явления, т.к. объект быстро пересекает луч.

По результатам натурных измерений можно сделать ряд рекомендаций, как по аппаратной части, так и по методикам проведения измерений и обработки данных:

Во-первых, для повышения потенциала станции целесообразно использовать антенну диаметром не менее 1м. Это позволит снизить также и уровни боковых лепестков.

Во-вторых, целесообразно не фиксировать угол места (3, а выполнять его переменным. Это позволит расширить диапазон измеряемых высот как в нижнюю сторону (при малых (3), так и в сторону поднятия высоты при слабых сигналах и выборе больших значений местного угла р.

В-третьих, важным фактором является синхронизация оцифровки в обоих каналах АЦП.

В-четвертых, при слабых уровнях сигнала целесообразно изменять методику измерений и проводить измерения в двух-трех направлениях зондирования, но обязательно с более длительным накоплением сигналов.

Пятая рекомендация относится к введению процедуры выбраковки заведомо ложных спектров. Это относится к попаданию в луч ИКР птиц, к появлению мощных наводок, например, от систем мобильной связи, или за счет попадания движущихся наземных объектов в боковые лепестки диаграммы направленности антенной системы. Методика такой отбраковки уже обсуждалась в главе 3 и заключается в повторяемости итераций обработки.

Заключение

Результат комплекса теоретических и экспериментальных работ, выполненных в настоящей диссертации, заключается в разработке требований к параметрам измерительной аппаратуры, а также в создании методики измерений и алгоритмов обработки измерительной информации, которые позволили создать малогабаритный радиолокационный комплекс ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы в широком спектре метеоусловий. В результате проделанной работы получены следующие основные выводы и результаты:

1. В результате анализа существующих методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере в качестве основы малогабаритного измерителя ветра был обоснован выбор импульсно-когерентной PJIC миллиметрового диапазона длин волн.

2. На основе анализа различных метеоситуаций и рассевающих свойств метеообъектов обоснована длина волны PJIC, метеорологический энергетический потенциал, требования к антенной системе и другие требования к облику импульсной РЛС, обеспечивающей измерение ветра в пограничном слое атмосферы практически в любых погодных условиях (более 90% возможных метеоситуаций).

3. Разработана и обоснована методика проведения измерений ветра с помощью импульсных РЛС, в том числе в условиях слабых сигналов и неустойчивой регистрации отраженных сигналов. Разработан новый алгоритм математического обеспечения РЛС всепогодного ветрового зондирования атмосферы, отработанный как в режиме компьютерного моделирования, так и в натурных условиях, создано математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.

4. Создан макет 18мм импульсно-когерентного радиолокатора, на котором были экспериментально отработаны как методика проведения измерений методом "круговых диаграмм", так и основные приемы, и алгоритмы обработки принятых сигналов. Опыт двухлетней эксплуатации макета в натурных условиях лег в основу предложений МГУПИ при разработке технического задания и создания макета всепогодной малогабаритной доплеровской 8мм PJIC.

5. На макете 8мм PJIC, созданном в ЦКБ А, г. Тула, проведены совместные натурные измерения и получены экспериментальные данные, которые подтвердили возможность проведения ветровых измерений в широком диапазоне метеоусловий. Экспериментально подтверждена эффективность разработанных методик измерений и обработки измерительной информации.

6. Показано, что повышение потенциала станции, например, за счет увеличение размеров антенны до Зм, а также уменьшение мертвой зоны, позволят повысить информационные возможности комплекса и довести обеспеченность измерений до 98% метеослучаев.

Таким образом, достигается цель данной диссертационной работы — обоснование и создание малогабаритной системы ветрового зондирования атмосферы работающей в широком диапазоне метеоусловий.

Результаты расчета и обоснования энергетического потенциала и облика 8-ми миллиметровой импульсной PJIC использовались 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ЦКБА, г. Тула при создании макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы в рамках выполнения НИР "Механизм-РВО" и ОКР "Механизм-М". Разработанная методика измерений ветра, а также алгоритмы обработки радиолокационных сигналов нашли применение при выполнении ОКР "Механизм" в ЦКБА, г. Тула; 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ФГУП "Радиозавод", г. Москва.

В заключении считаю приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю профессору В.В. Стерлядкину и профессору А.Г. Горелику за постоянное внимание к работе, всестороннюю оказанную помощь и полезные обсуждения, а также А.С. Глущенко и К.Г. Чистовскому за участие в экспериментах и в разработке программного обеспечения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кононов, Михаил Александрович, 2010 год

1. Говорушко С.М. Влияние природных процессов на человеческую деятельность. Владивосток: Дальневосточное отделение РАН, Тихоокеанский институт географии, 1999г;

2. Прогудина Т.М. Авиация и метеорология. http://pogoda.nsk.su Погода в

3. Сибири. Лента новостей. ГУ Новосибирской ЦГМС-РСМЦ

4. Джордж Дж. Прогнозы погода для авиации. — Л: Гидрометеоиздат, 1966г. —257с.

5. Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах.под ред. Л.П. Афиногенова и Е.В. Романова. — Л: Гидрометеоиздат, 1981г.-60с.

6. Качурин Л.Г. Методы метеорологических измерений. Л.: Гидрометеоиздат, 1985г.-456с.

7. Краткая история создания и развития методов и технических средств вертикального зондирования атмосферы http://www.cao.narod.ru / Сайт о системах дистанционного аэрологического зондирования

8. Юбилейный буклет к 60-летию Центральной Аэрологической Обсерватории. http://www.info.dolgopa.org/lybrary/03-24.htm / Сайт "Энциклопедия Долгопрудного"8. http://www.cao-rhms.ru ГУ "Центральная Аэрологическая Обсерватория"

9. Калистратова М. А., Кредер Й., Петенко И. В., Тиме Н. С. Опыт измеренияскорости ветра методом акустического зондирования. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. — с. 319-322.

10. Калистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. -М.: Наука, 1986г.

11. Клочков В.П., Козлов Л.Ф. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерференция. Киев: Наукова думка, 1985. - 760с.

12. Смирнов В. И., Тимофеев А. С. Труды МЭИ. Физ. Оптика, 1981, №519, -с. 41-47.i