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

Радиолокатор обнаружения осадков

Рисунок 1. Радиолокатор обнаружения осадков Немецкой метеорологической службы Эссен-Бреденай (Essen-Bredeney)

Рисунок 1. Радиолокатор обнаружения осадков Немецкой метеорологической службы Эссен-Бреденай (Essen-Bredeney)

Wie funktioniert das Niederschlagsradar?

Радиолокатор обнаружения осадков

Радиолокатор обнаружения осадков — это метеорадар, работающий в S-диапазоне или C-диапазоне (редко — в Х-диапазоне). Он имеет параболическую антенну на поворотном устройстве. Вопреки мнению аматоров, такой локатор не выполняет измерение облаков. В нем измеряется отражательная способность, которая затем используется в качестве меры количества воды в облаках. Этот радиолокатор используется для обнаружения областей осадков и количественной оценки осадков в данной местности. Одновременно с этим, за счет оценки допплеровских частот может определяться распределение скоростей ветра.

Радиолокатор обнаружения осадков — это всегда трехкоординатный радиолокатор. Угол места антенны (наклон антенны) изменяется после каждого оборота и таким образом выполняется сканирование пространства по углу места. Это приводит к так называемому объемному сканированию (оцениваемому по темпу обновления данных радиолокатора управления воздушным движением). Темп обновления информации радиолокатора обнаружения осадков может составлять от 5 до 15 минут.

Приемник
Параболический
отражатель
Ортомодовый
преобразователь
Рупорный
облучатель
Передатчик
Укрытие
Молниеотвод
Поворотная
платформа
Волновод

Рисунок 2. Схематическое изображение метеорадара с антенным укрытием

Передатчик
Молниеотвод
Поворотная
платформа

Рисунок 2. Схематическое изображение метеорадара с антенным укрытием

Технические данные

В радиолокаторах обнаружения осадков обычно используются только узкополосные короткие зондирующие импульсы, которые генерируются высокомощными электровакуумными приборами (магнетрон или клистрон). Твердотельные передатчики также могут использоваться, однако они имеют невысокую импульсную мощность из-за ограниченной электрической прочности полупроводников. По этой причине возникает необходимость использования широкополосных сигналов с внутриимпульсной модуляцией, что, в свою очередь, приводит к ухудшению точности измерений из-за временных боковых лепестков, возникающих при выполнении процедуры сжатия импульсов. Кроме этого, ограничивается чувствительность приемника, поскольку широкополосный приемник захватывает больше шумов в свою полосу пропускания.

Рисунок 3. Из-за расхождения электромагнитной волны разрешаемый объем больше на больших дальностях, следовательно радиолокатор с меньшей дальностью более точен.

Рисунок 3. Из-за расхождения электромагнитной волны разрешаемый объем больше на больших дальностях, следовательно радиолокатор с меньшей дальностью более точен.

Максимальная дальность действия радиолокатора обнаружения осадков определяет требуемое количество таких устройств на заданной площади. Точность такого радиолокатора уменьшается с увеличением расстояния от него (сравните синий и красный разрешаемые объемы на Рисунке 3).

В регионах со слабо развитой сетью метеорадаров (тропики и субтропики) в основном используются радиолокаторы S-диапазона, работающие на дальностях до 800 км. В Европе (умеренный климат), где сеть метеорадаров хорошо развита, используются радиолокаторы С-диапазона. Работа в этом диапазоне частот обеспечивает более высокую точность измерений. Диапазон дальностей действия таких радиолокаторов ограничивается 250 км, из которых используется в основном интервал до 150 … 180 км, что определяется соображениями достижения более высокой точности. Кривизна Земли также оказывает негативное влияние на больших дальностях, так что более глубокие метеорологические явления скрываются за горизонтом.

Для обеспечения требуемого динамического диапазона приемного устройства (до 105 дБ) несколько приемникой с разной чувствительностью работают параллельно. Программное обеспечение выбирает тот приемник, который не перегружен, и отношение сигнал/шум на выходе которого является наилучшим.

Современный радиолокаторы обнаружения осадков имеют динамически изменяемые скорость вращения антенны и частоту повторения импульсов. Поскольку погодные явления существуют в тропопаузе, то диапазон абсолютных высот ограничен примерно 18 км. Следовательно, на больших углах места нет необходимости работать на максимальную дальность. Здесь можно работать с более высокой частотой повторения зондирующих импульсов и с более высокой скоростью вращения антенны, чем на малых углах места.

Дальность [км]
Высота [км]
Сканирование осадков

Рисунок 4. Стратегия сканирования радиолокатора обнаружения осадков
(шкала по высоте увеличена 1:5)

Дальность [км]
Высота [км]
Сканирование осадков

Рисунок 4. Стратегия сканирования радиолокатора обнаружения осадков
(шкала по высоте увеличена 1:5)

Стратегия сканирования

Стратегия такого сканирования поясняется на Рисунке 4. Радиолокатор имеет частоту повторения импульсов 600 Гц, что соответствует максимальной однозначно определяемой дальности 250 км, из которых используется только 150 км. Антенна вращается со скоростью 12 градусов в секунду. Сканирование начинается с угла места 5,5 градусов и после каждого оборота угол места уменьшается на 1 градус. При этх сканированиях используется частота повторения 600 Гц или 800 Гц. Скорость вращения антенны несколько увеличивается (до 18 градусов в секунду) и только на минимальном угле места становится опять 12 градусов в секунду (для лучшего подавления пассивных помех от неподвижных объектов). На восьмом обороте угол наклона антенны становится 8 градусов, а частота повторения импульсов 800 Гц или 1 200 Гц. На углах наклона 12, 17 и 25 градусов используется частота повторения импульсов 2 410 Гц и скорость вращения антенны 30 градусов в секунду. В конце выполняется сканирование вертикально вверх, которое используется для внутренней калибровки. Далее антенна разворачивается на север и ожидает начала следующего цикла сканирования. Вращение антенн всех радиолокаторов сети обнаружения осадков синхронизировано с целью исключения попадания излучения одного радиолокатора в антенну другого. При этом поддерживается возможность формирования радиолокационного изображения по данным нескольких радиолокаторов, поскольку метеообстановка меняется медленно и можно использовать данные от разных радиолокаторов, по времени относящиеся, например, к одной и той же минуте.

Рисунок 5. Горизонтальное сечение зон действия сети метеорологических радиолокаторов в Германии (Источник: Deutscher Wetterdienst)

Рисунок 5. Горизонтальное сечение зон действия сети метеорологических радиолокаторов в Германии (Источник: Deutscher Wetterdienst)

Размещение радиолокаторов

Немецкая метеорологическая служба (Deutscher Wetterdienst) обеспечивается сетью из 17 радиолокаторов обнаружения осадков, размещенных таким образом, что они накрывают всю территорию Федеративной Республики Германия. Их зоны действия частично перекрываются, поэтому если какой-нибудь радиолокатор выйдет из строя, используются данные, полученные от соседнего радиолокатора. Один из этих радиолокаторов является транспортируемым. Он может быть перемещен в нужную точку в случае, если планируется длительный перерыв в работе какого-то из стационарных радиолокаторов.