www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи на радиолокацията

Принципи на конструиране и експлоатация на метеорологични радари

Wetter picture

Изображение 1: Радарно изображение на метеорологичната обстановка

Принципи на конструиране и експлоатация на метеорологични радари

Принципите на конструиране и експлоатация на метеорологични радари са много сходни с тези на първичните радари за наблюдение (PSR) и тъй като са съпроводени с много сходни проблеми.

Най-важната разлика между тези два вида радари е, че при радарите за въздушно наблюдение се извършва само откриване на целта (налице ли е цел? Да или Не) и само измерване на нейните координати. Метеорологичните радари измерват и амплитудата на ехосигнала. Получените данни предоставят информация за интензивността и последователността на отразяващите обекти в зоната на наблюдение.

Но има и по-важни разлики. Те често се дължат на факта, че формите на обектите, които трябва да се търсят, са много различни за радарите от един и друг тип. Облаците и облачните струпвания имат много по-големи геометрични размери, отколкото например една ракета, а при някои честоти те са и полупрозрачни. В този аспект по-добри резултати дават метеорологичните радари, които използват многочестотно засичане. (Дори терминът «многочестотно сондиране» има различно значение по отношение на метеорологичните радари, отколкото за радари с честотно разнообразие за наблюдение).

Излъчена енергия
обратно разсейване

Изображение 2. принцип на действие на радара

Излъчена енергия
обратно разсейване

Изображение 2. принцип на действие на радара

Общият принцип на действие на метеорологичния радар е обяснен на добре познатата Изображение: мощните излъчени импулси се отразяват във всички посоки от даден обект и част от тях се връщат обратно към радара като ехосигнал. Въпреки че излъченият сигнал е с голяма мощност, приетият сигнал обикновено е много, много слаб и поради това изисква изключително чувствителен приемник, за да го улови и интерпретира.

За първичните радари за наблюдение очакваните сигнали са ехото от самолети и други летящи обекти. В този случай ехото, причинено от метеорологични образувания, е смущаващо и трябва да се филтрира. Обратно, при метеорологичните радари ехото от въздухоплавателни средства се разглежда като смущение. В същото време и при двата вида радари трябва да се прилагат методи за защита от пасивни смущения - отражения от неподвижни обекти.

Сравнение между радари за наблюдение и метеорологични радари

Нека сравним метеорологичните радари с радарите за контрол на въздушното движение или за противовъздушна отбрана, но нека се ограничим до сравнително сравними видове, например радари за контрол на въздушното движение с голям и среден обсег на действие, като трасовия радиолокатор и радар за наблюдение на летището, и да ги сравним с радарите за валежи.

ХарактеристикиПървичен радар за наблюдениеМетеорологичен радар
Честотен обхват L, S S,C & X
Доплерова обработка Използва се и в двете групи.
Сканиране по азимут и/или височина по азимут и височина
Обработка Сложна, в реално време Много сложна, времето не е критично
Поляризация Линейна и кръгова Двойна (вертикална и хоризонтална)
Мощност на импулса Променлива (kW - Mw) Променлива (kW - Mw)
Цифровая обработка Синхронен детектор
Обновяване на изображението 6 - 12 сек. 5 - 15 мин.
Потискане на смущенията Да (смущения - ехо от хидрометеори) Да (смущения - ехо от самолети)
Размер на антената По-голяма (при по-голяма дължина на вълната) По-малка (при по-малка дължина на вълната)

Таблица 1: Сравнение на метеорологичен радар с радар за наблюдение

Честотни обхвати

Радарите за контрол на въздушното движение и системите за противовъздушна отбрана работят в L-обхвата, S-обхвата (предимно в L-обхвата). Метеорологичните радари обикновено излъчват в S-, C-, X-обхвата (по-рядко в L-обхвата). Особено L-обхвата е подходящ за радари за наблюдение на големи разстояния, тъй като влиянието на метеорологичните условия в този случай е минимално. От друга страна, S-, C- и X-диапазонът са по-подходящи за метеорни радари поради по-късата дължина на вълната.

Доплерова обработка

Доплеровата обработка на честотите за метеорологичните радари е стандартна процедура от около 90-те години на миналия век. Почти всички налични в търговската мрежа метеорологични радарни системи са оборудвани с доплерова обработка.

Диаграмата на насоченост

Доплеровите радари за наблюдение обикновено имат антена с косекансквадратна диаграма на насоченост и поради това не осигуряват точни измервания на ъгъла на местоположение на целта. (За тази цел съществуват специални радиовисотомери.)

Метеорологичните радари имат антени с иглообразна форма на диаграмата на насоченост, които могат да се завъртат по азимут и височина (обикновено едно завъртане се извършва при фиксиран ъгъл на височина).

Основното ограничение при работа с допълнителен метеорологичен канал като част от основния радар е, че антената не е остро насочена в равнината на ъгъла на място (вертикална ширина на лъча 15° … 30°). Както си спомняме, това се прави, за да може с всяко завъртане на антената да се откриват въздушни обекти в целия даден височинен диапазон. Следователно радарните изображения на метеорологичен радар в тази конфигурация ще бъдат неточни и с лошо качество.

Метеорологичните радари използват силно насочени антени, включително такива в ъгловата равнина. В този случай при едно завъртане се покрива само тесен ъглов сектор и след това от отделните сканирания се съставя триизмерно радарно изображение. Това отнема неколкократно повече време, отколкото при радарите за откриване, и поради това радарният образ на метеорологичната обстановка се актуализира поне през 5 минути. Не е необходимо това да се прави по-бързо, тъй като метеорологичната обстановка (положението на хидрометеорите) е по-постоянна от текущото положение на въздухоплавателното средство.

Обработка на радарните сигнали

При обработката на радарното ехо от антената до дисплея се прилагат редица различни функции и филтри. Този вид обработка може да се нарече «комплексна» или «сложна». Тези функции и филтри се използват и в метеорологичните радари. Но съществува и специална обработка на данни, при която получените ехосигнали се сравняват със стойностите, записани в таблица, и от отделните ъглови изгледи се формира триизмерно изображение. Ето защо обработката на сигналите в метеорологичните радари условно се нарича «много сложна».

Поляризация

В радарите за наблюдение се използват както линейна, така и кръгова поляризация. Целта на избора на поляризация е да се получи радарно изображение без смущения, причинени от атмосферни явления. Ако се получават силни облачни ехосигнали, радарът превключва на кръгова поляризация, за да намали влиянието на тези смущаващи сигнали.

В метеорологичните радари кръговата поляризация не се използва по същата причина. Тук ехото в линейната вертикална поляризация се сравнява с ехото в линейната хоризонтална поляризация, като по този начин се получава допълнителна информация за различните метеорологични явления.

Импулсна мощност

Импулсната мощност на всеки тип система варира в зависимост от микровълновия източник и необходимите технически спецификации. И за двата типа радари наличната импулсна мощност варира от 20 kW до 1,5 MW. Съвременните въздушни радари за наблюдение на обекти използват полупроводникови предаватели с вътрешно-импулсна модулация на сигнала. В този случай импулсната мощност е много по-ниска. Този подход по принцип може да бъде приложен към метеорологични радари. Въпреки това страничните лобове във времето водят до неточности. Поради тази причина използването на мощни усилвателни тръби, като например клистрони, остава за предпочитане в метеорологичните радари.

Цифрова обработка

По принцип цифровата фазово-квадратурна обработка (I & Q) се използва и в двата типа системи. При метеорологичните радари динамичният обхват на приемника е малко по-важен, отколкото при радарите за наблюдение. В този случай обикновено няколко приемника с различна чувствителност работят паралелно. Цифровата обработка избира приемника, който осигурява най-доброто съотношение сигнал/шум, без да се претоварва.

Актуализиране на изображението

Първичните радарни системи за контрол на въздушното движение имат изискването да получават информация за местоположението на всички въздухоплавателни средства при всяко изследване (т.е. приблизително на всеки 6 … 12 секунди). Това изискване се определя от високата динамика на въздушната обстановка. Радарите с ветрилообразна или косекансквадратна диаграма на насоченост на антени отговарят на това изискване, тъй като антената покрива всички необходими височини.

При метеорологичните радари се формира по-сложна картина, която изисква няколко завъртания на антената. Иглената картина на този радар покрива само малък диапазон от височинни ъгли. Поради това за получаване на пълно обемно сканиране са необходими няколко последователни сканирания при различни височинни ъгли. Поради тази причина радарното изображение на метеорологичната обстановка се актуализира на всеки няколко минути.

Потискане на пасивните смущения

И двата вида системи използват широко техниките за потискане на пасивните смущения. Изборът на използвания метод зависи до голяма степен от типа на радара. Но по принцип винаги се прилага доплерова обработка. Основната разлика се състои в това, че при всеки тип радар трябва да се извлекат различни полезни сигнали от сместа сигнал-шум.

Размер на антената

Размерът на антената зависи от работната честота на радара и от изискванията за точност на фокусиране на лъча. В L-обхвата на дългите вълни, съответстващ на работния честотен диапазон на радарите за контрол на въздушното движение и за противовъздушна отбрана, се изискват сериозни размери на антените. Антената на метеорологичния радар в X-обхвата се поставя в носа на самолета, като осигурява същата ъглова координатна разделителна способност.