www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Принципы построения и функционирования метеорологических радиолокаторов

Wetter picture

Рисунок 1. Радиолокационное изображение метеообстановки

Принципы построения и функционирования метеорологических радиолокаторов

Принципы построения и функционирования метеорологических радиолокаторов очень схожи с принципами, заложенными в первичных радиолокаторах обнаружения, и так же как они сопровождаются многими схожими проблемами.

Наиболее важным различием радиолокаторов этих двух типов является то, что в радиолокаторах обзора воздушного пространства выполняется только обнаружение цели (цель присутствует? Да/нет) и только измерение ее координат. В метеорологических радиолокаторах, кроме этого, измеряется амплитуда эхо-сигнала. В итоге полученные данные обеспечивают информацию об интенсивности и консистенции отражающих объектов в зоне наблюдения.

Но имеются также и более важные отличия. Часто они вызваны тем, что формы искомых объектов для радиолокаторов одного и другого типов сильно отличаются. Облака и их группы имеют гораздо большие геометрические размеры, чем, например, ракета, а на некоторых частотах они еще и полупрозрачны. В таком аспекте лучшие результаты обеспечиваются метеорологическими радиолокаторами, в которых применяется многочастотное зондирование. (При этом даже термин «многочастотное зондирование» применительно к метеорадару имеет значение, отличающееся от значения того же термина для многочастотного радиолокатора обнаружения.)

излучаемая энергия
обратное рассеяние

Рисунок 2. Принцип радиолокации

излучаемая энергия
обратное рассеяние

Рисунок 2. Принцип радиолокации

Общий принцип функционирования метеорадаров поясняется на хорошо известном рисунке: мощные излучаемые импульсы отражаются объектом во все стороны и часть из них отражается в сторону радиолокатора в виде эхо-сигнала. Хотя излучаемый сигнал имеет высокую мощность, принимаемый сигнал обычно очень и очень слабый, поэтому для его выделения и интепретации требуется чрезвычайно чувствительный приемник.

Для первичных радиолокаторов обнаружения ожидаемыми сигналами являются эхо-сигналы от самолетов и других летающих объектов. В данном случае эхо-сигналы, вызванные метеообразованиями, являются мешающими и должны быть отфильтрованы. И наоборот, в метеорологических радиолокаторах эхо-сигналы от самолетов рассматриваются как помехи. При этом в радиолокаторах обоих типов должны быть реализованы методы защиты от пассивных помех — отражений от неподвижных объектов.

Сравнительная характеристика радиолокатов обнаружения и метеорологических радиолокаторов

Сравнение характеристик радиолокаторов обоих типов приведено ниже в таблице.

ХарактеристикаПервичный
радиолокатор
обнаружения
Метеорологический
радиолокатор
Частота L, S-диапазоны S, C, X-диапазоны (+L-диапзон)
Допплеровская обработка да да
Сканирование азимут или угол места азимут и угол места
Обработка Сложная, в реальном времени Очень сложная, время не критично
Поляризация Линейная и круговая Двойная (вертикальная и горизонтальная)
Импульсная мощность Изменяемая (кВт … МВт) Изменяемая (кВт … МВт)
Цифровая обработка Синфазно-квадратурная
Обновление «картинки» 6 … 12 сек 5 … 15 мин
Подавление пассивных помех Да (пассивные помехи — эхо от гидрометеоров) Да (пассивные помехи — эхо от самолетов)
Размеры антенны Больше (т. к. больше длина волны) Меньше (т. к. меньше длина волны)

Таблица 1: Сравнение метеорологического радара с радаром наблюдения

Частотные диапазоны

Радиолокационные системы управления воздушным движением и системы противовоздушной обороны работают в L-, S-диапазонах (в основном, в L-диапазоне). Метеорологические радиолокаторы обычно излучают в S-, C-, X-диапазонах (реже — в L-диапазоне). L-диапазон, в частности, подходит для радиолокаторов дальнего обнаружения, поскольку влияние метеоусловий в этом случае минимально. В свою очередь, S-, C-, X-диапазоны больше подходят для метеорадаров из-за меньшей длины волны.

Допплеровская обработка

Обработка допплеровских частот для метеорологических радиолокаторов стала стандартной процедурой примерно с 1990-х. Практически все коммерчески доступные метеорологические радиолокационные системы оснащаются допплеровской обработкой.

Диаграмма направленности антенны

Двухкоординатные радиолокаторы обнаружения обычно имеют антенны с косекансквадратной диаграммой направленности и, следовательно, не обеспечивают измерение точного угла места цели. (Для этого существуют специальные радиолокационные высотомеры).

Метеорологические радиолокаторы имеют антенны с игольчатого диаграммой (диаграммой карандашного типа), которые могут поворачиваться по азимуту и по углу места (как правило, один оборот осуществляется при фиксированном угле места).

Основное ограничение при работе дополнительного погодного канала в составе первичного радиолокатора определяется тем, что антенна не является остронаправленной в угломестной плоскости (ширина диаграммы направленности 15° … 30°). Как мы помним, это делается для того, чтобы иметь возможность обнаруживать воздушные объекты во всем заданном диапазоне высот при каждом обороте антенны. Следовательно, радиолокационные изображения метеорадара в такой конфигурации будут неточными и невысокого качества.

В метеорологических радиолокаторах используются остронаправленные антенны, в том числе, в угломестной плоскости. В этом случае за время одного оборота охватывается только узкий угломестный сектор, а трехмерное радиолокационное изображение затем составляется из отдельных сканирований. Это занимает в несколько раз больше времени, чем в радиолокаторах обнаружения и поэтому радиолокационное изображение метеообстановки обновляется как минимум в течение 5 минут. Делать это быстрее нет необходимости, поскольку погодная обстановка (положение гидрометеоров) более постоянна, чем текущее положение самолета.

Обработка радиолокационных сигналов

При обработке эхо-сигналов в радиолокаторе обнаружения на участке от антенны до индикатора задействуется много различных функций и фильтров. Такую обработку условно можно назвать «сложной». Эти функции и фильтры используются также и в метеорологическом радиолокаторе. Но существует еще и специальная обработка данных, в ходе которой принятые эхо-сигналы сравниваются со значениями, хранящимися в таблице, а также выполняется формирование трехмерного изображения из отдельных угломестных обзоров. Поэтому обработку сигналов в метеорологическом радиолокаторе условно называют «очень сложной».

Поляризация

В радиолокаторах обнаружения используется как линейная, так и круговая поляризация. Целью поляризационной селекции является получение радиолокационного изображения без помех, вызванных атмосферными явлениями. Если поступают сильные эхо-сигналы от облаков, то радиолокатор переключается на круговую поляризацию для уменьшения влияния этих помеховых сигналов.

В метеорологических радиолокаторах по этой же причине круговая поляризация не используется. Здесь выполняется сравнение эхо-сигналов на линейной вертикальной поляризации и эхо-сигналов на линейной горизонтальной поляризации, чем обеспечивается получение получение дополнительной информации о различных погодных явлениях. (больше здесь…)

Импульсная мощность

Импульсная мощность систем каждого типа варьируется в зависимости от источника СВЧ-колебаний и требуемых технических характеристик. Для обоих типов радиолокаторов импульсная мощность может иметь значения от 20 кВт до 1 500 МВт. В современных радиолокаторах обнаружения воздушных объектов используются твердотельные передатчики с внутриимпульсной модуляцией сигнала. В таком случае импульсная мощность намного ниже. Такой подход, в принципе, может быть применен в метеорологических радиолокаторах. Однако, боковые лепестки во времени приводят к неточностям. По этой причине в метеорологических радиолокаторах предпочтительным остается использование мощных усилительных ламп, таких как клистрон.

Цифровая обработка

В принципе в системах обоих типов применяется цифровая синфазно-квадратурная обработка. Для метеорологического радиолокатора динамический диапазон приемника имеет несколько большее значение, чем для радиолокатора обнаружения. В этом случае, как правило, параллельно работают несколько приемников с разной чувствительностью. В процессе цифровой обработки выбирается тот из приемников, который обеспечивает наилучшее отношение «сигнал-шум» без перегрузки.

Обновление изображения («картинки»)

К первичным радиолокационным системам управления воздушным движением предъявляется требование получения данных о положении всех самолетов в каждом обзоре (то есть примерно каждые 6 … 12 секунд). Это требование определяется высокой динамикой воздушной обстановки. В случае радиолокатора с веерной или косекансквадратной диаграммой напрвленности антенны данное требование выполняется, поскольку диаграмма напрвленности охватывает все требуемые высоты.

В метеорологическом радиолокаторе формируется более сложное изображение, на что уходит несколько оборотов антенны. Игольчатая диаграмма направленности антенны такого радиолокатора охватывает только небольшой диапазон углов места. Поэтому для получения полного объемного сканирования требуется несколько последовательных сканирований под разными углами места. По этой причине обновление радиолокационного изображения метеообстановки происходит раз в несколько минут.

Подавление пассивных помех

В системах обоих типов широко применяются методы подавления пассивных помех. Выбор применяемого метода в значительной степени зависит от от типа радиолокатора. Но в принципе допплеровская обработка применяется всегда. Основным отличием является то, что из смеси «сигнал-шум» в каждом типе радиолокатора выделению подлежат разные полезные сигналы.

Размеры антенны

Размер антенны зависит от значения рабочей частоты радиолокатора и от требований к точности фокусировки луча. В длинноволновом L-диапазоне, соответствующем диапазону рабочих частот радиолокаторов управления воздушным движением и противовоздушной обороны, требуются антенны серьезных размеров. Антенна метеорологического радиолокатора, работающего в Х-диапазоне, помещается в носу самолета, обеспечивая при этом такое же разрешение по угловым координатам.