Способ обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности с использованием некогерентного метеорологического радиолокатора

Способ обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности с использованием некогерентного метеорологического радиолокатора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности.

Как известно, движение метеочастицы, вовлеченной в турбулентный поток воздуха, вызывает случайные изменения фазы отраженного от этой частицы радиосигнала, см. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. Л., 1973. В разрешаемый объем метеорологического радиолокатора попадает большое количество метеочастиц; рассеянные метеочастицами радиосигналы в точке приема суммируют, при этом фазы этих радиосигналов меняются случайным образом. Это приводит к тому, что амплитуда отраженного сигнала для данного разрешаемого объема будет также изменяться (флюктуировать) по случайному закону. Ширина спектра амплитудных флюктуаций принимаемого радиосигнала и среднеквадратическое отклонение скорости ветра при этом связаны следующим образом:

где ΔF_А - ширина спектра амплитудных флюктуаций принимаемого радиосигнала, σ_w - среднеквадратическое отклонение скорости ветра, λ - рабочая длина метеорологического радиолокатора. Данная связь может быть использована для обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности.

Известен способ обнаружения турбулентных зон атмосферы в некогерентных метеорологических радиолокаторах, согласно которому в область с метеочастицами периодически излучают радиоимпульсы, принимают отраженные метеочастицами радиосигналы, определяют амплитуду суммарного сигнала в точке приема, вычисляют корреляционную функцию амплитуды в двух временных точках:

где К(0) и К(Т_r) - значения комплексной корреляционной функции, М - количество принятых импульсов, по которым оцениваются отсчеты корреляционной функции, Т_r - период повторения излучаемых импульсов, A(mT_r) - отсчет амплитуды принятого сигнала в момент времени mT_r, - среднее значение амплитуды. Обнаружение турбулентности в точке пространства, для которой произведена оценка К(0) и К(Т_r), осуществляется путем сравнения отношения отсчетов корреляционной функции с установленным пороговым уровнем С:

US №4835536. Установленный пороговый уровень С=0,75.

Недостатком данного способа является низкая достоверность обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности, что обусловлено следующими обстоятельствами:

1. Использование всего двух из доступного для оценки количества отсчетов корреляционной функции амплитуды принятого сигнала приводит к потере значительного количества информации, содержащейся в сигнале.

2. Нормирование К(Т_r) к К(0) приводит к дополнительным ошибкам, поскольку К(0) является смещенной оценкой мощности полезного метеосигнала P_S, отличаясь от последней на величину неизвестной при приеме мощности внутренних шумов приемника метеорологического радиолокатора Р_N:

K(0)=P_S+P_N,

3. Данный способ не дает возможности определить степень турбулизации наблюдаемой области атмосферы, поскольку для этого необходимо оценить ширину спектральной плотности мощности амплитуды принимаемого сигнала.

Данный способ принят в качестве прототипа настоящего изобретения.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения достоверности обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности с использованием некогерентного метеорологического радиолокатора.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности с использованием некогерентного метеорологического радиолокатора, согласно которому в исследуемую область периодически излучают радиоимпульсы некогерентного метеорологического радиолокатора, принимают отраженные находящимися в исследуемой области метеочастицами радиосигналы, определяют амплитуду принятого суммарного радиосигнала, вычисляют корреляционную функцию амплитуды во временных точках, интервалы между которыми кратны периоду повторения радиоимпульсов, измеряют среднеквадратическое отклонение скорости ветра на основании соотношения:

где σ_w - среднеквадратическое отклонение скорости ветра;

λ - рабочая длина волны некогерентного метеорологического радиолокатора;

- значение нулевого момента спектральной плотности мощности амплитуды принятого сигнала;

- значение второго момента спектральной плотности мощности амплитуды принятого сигнала;

k=(K(Т_r), К(2Т_r),..., K(NT_r))^T - вектор отсчетов корреляционной функции амплитуды принятого сигнала во временных точках, интервалы между которыми кратны периоду повторения радиоимпульсов;

К(nT_r) - значение корреляционной функции во временной точке nT_r;

Т_r - период повторения излучаемых радиоимпульсов;

N - количество временных точек отсчета корреляционной функции;

Т - оператор транспонирования;

Н - оператор эрмитового сопряжения;

g_p, р=0, 1, 2 - вектор, равный (р+1)-му столбцу матрицы: G=А(А^HA)^-1, где А - матрица размера N×N;

- элемент матрицы А, стоящий на пересечении m-й строки и n-го столбца m, n=1, 2,..., N,

производят сравнение среднеквадратического отклонения скорости ветра с установленным пороговым уровнем σ_wnop и при σ_w≥σ_wnop делают вывод о наличии повышенной турбулентности в исследуемой области атмосферы.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - схема, иллюстрирующая образование принимаемого метеорологическим радиолокатором сигнала, отраженного от исследуемой области атмосферы, содержащей вовлеченные в турбулентное движение воздуха метеочастицы;

на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ;

на фиг.3 - график, иллюстрирующий зависимость вероятности правильного необнаружения турбулентности для прототипа (пунктирная линия) и для заявленного способа (сплошная линия) от отношения сигнал/шум при слабой турбулентности σ_w=1 м/с;

на фиг.4 - график, иллюстрирующий зависимость вероятности правильного обнаружения турбулентности для прототипа (пунктирная линия) и для заявленного способа (сплошная линия) от отношения сигнал/шум при сильной турбулентности σ_w=5 м/с.

Для реализации способа в конкретном примере использован некогерентный метеорологический радиолокатор «Контур», выпускаемый ООО «Контур-НИИРС», Санкт Петербург.

Устройство содержит передатчик 1, запуск которого осуществляется от импульса модулятора 2. Модулятор 2 подключен к первому выходу синхронизатора 3. Выход передатчика 1 соединен с первым плечом циркулятора 4. Второе плечо циркулятора 4 связано с фидером приемопередающей антенны 5. Антенна 5 снабжена блоком 6 управления. Третье плечо циркулятора 4 соединено со входом приемника 7. Выход приемника соединен с входом амплитудного детектора 8, выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9. Второй вход АЦП 9 связан со вторым выходом синхронизатора 3. Выход цифрового преобразователя 9 связан с первым входом блока 10 стробирования, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 3. Выход блока 10 стробирования соединен с первым входом блока 11 памяти, на второй вход которого подаются сигналы с третьего выхода синхронизатора 3. Выход блока 11 памяти по шине передачи данных соединен с блоком 12 вычисления корреляционной функции (КФ) амплитуды принятого сигнала. Выход блока 12 вычисления КФ подключен к первому входу блока 13 вычисления моментов спектральной плотности мощности амплитуды принимаемого сигнала, который также подключен к блоку 11 памяти по шине передачи данных. Выход блока 13 вычисления моментов спектральной плотности мощности амплитуды принятого радиосигнала соединен с входом блока 14 вычисления среднеквадратического отклонения скорости ветра, выход которого подключен к входу блока 15 сравнения. Выход блока 15 сравнения соединен с первым входом блока 16 индикации. Второй вход блока 16 соединен со вторым выходом блока 6 управления, первый выход которого соединен с антенной 5.

В конкретном примере реализации изобретения блоки 11, 12, 13, 14 и 15 представляют собой элементы сигнального процессора, а блок 16 - монитор некогерентного метеорологического радиолокатора.

Способ реализуется следующим образом.

Синхроимпульсы с первого выхода синхронизатора 3, следующие с периодом повторения зондирующих сигналов метеорологического радиолокатора Т_r, подаются на модулятор 2, который формирует импульсы запуска передатчика 1. Высокочастотный импульсный зондирующий сигнал с выхода передатчика 1 поступает на первое плечо циркулятора 4. Пройдя во второе плечо циркулятора 4, этот сигнал подается в фидер антенны 5. Угловое положение антенны задается сигналом, поступающим с первого выхода блока 6 управления. Антенна 5 излучает радиолокационные импульсы в обследуемую зону атмосферы (разрешаемый объем). Отраженные от метеочастиц этой зоны сигналы принимаются антенной 5 и поступают на второе плечо циркулятора 4. Пройдя в плечо 3, эти сигналы приходят на вход приемника 7. Принятые сигналы в приемнике 7 подвергаются фильтрации, преобразованию частоты, усилению. Сигнал промежуточной частоты с выхода приемника поступает на амплитудный детектор 8. Выходной сигнал амплитудного детектора приемника 8 на видеочастоте поступает на первый вход АЦП 9, на синхронизирующий второй вход которого подаются импульсы со второго выхода синхронизатора 3. Частота повторения этих импульсов равна частоте дискретизации. В результате на выходе АЦП 9 образуется цифровой сигнал, который соответствует амплитуде принятого метеорологическим радиолокатором сигнала. Данный сигнал поступает на первый сигнальный вход блока 10 стробирования. На второй вход блока 10 стробирования поступают импульсы с третьего выхода синхронизатора 3. Благодаря этому обеспечивается селекция по дальности сигналов, отраженных от наблюдаемой области атмосферы. С выхода блока 10 стробирования отселектированные по дальности сигналы поступают в блок 11 памяти, который управляется синхроимпульсами с третьего выхода синхронизатора 3. Запомненные в блоке 11 памяти последовательности цифровых значений амплитуды А(mT_r), m=0, 1,..., М, соответствующие одной дальности, вызываются по шине передачи данных в блок 12 вычисления КФ, где производится расчет КФ в соответствии с формулой

На выходе блока 12 вычисления КФ получается k=(K(Т_r), К(2T_r),..., K(NT_r))^T - вектор отсчетов корреляционной функции амплитуды принятого сигнала во временных точках, интервалы между которыми кратны периоду повторения радиоимпульсов. Этот вектор подается в блок 13 вычисления моментов спектральной плотности мощности (СПМ) амплитуды принятого радиосигнала, который по шине передачи данных соединен с блоком 11 памяти. В блоке 11 памяти постоянно хранятся векторы g_p, p=0,2, равные (p+1)-му столбцу матрицы

G=A(A^HA)^-1,

где А - матрица размера N×N, причем элемент данной матрицы, стоящий на пересечении m-й строки и n-го столбца (m, n=1, 2,..., N), равен

В блоке 13 вычисляются:

1. значение нулевого момента спектральной плотности мощности амплитуды принятого радиосигнала:

,

2. значение второго момента спектральной плотности мощности амплитуды принятого радиосигнала:

,

где Н - оператор эрмитового сопряжения. Вычисленные моменты поступают в блок 14 вычисления среднеквадратического отклонения скорости ветра, где среднеквадратическое отклонение скорости ветра определяется из соотношения

где λ - рабочая длина волны некогерентного метеорологического радиолокатора.

Вычисленное таким образом среднеквадратическое отклонение скорости ветра поступает в блок 15 сравнения, где производится сравнение вычисленного среднеквадратического отклонения скорости ветра σ_w с установленным пороговым уровнем σ_wnop. Для высокого уровня турбулизации исследуемой области атмосферы σ_wnop=5 м/с. Выход блока 15 сравнения подключен к входу 1 блока 16 индикации. На экране блока 16 осуществляется цветовая засветка элементов дальности, для которых σ_w превосходит установленный порог среднеквадратической скорости ветра σ_wnop. Положение высвечиваемых элементов дальности соответствует текущему положению антенного луча, информация о котором приходит на вход 2 блока 16 индикации из блока 6 управления.

Заявляемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает значительно большую достоверность обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности. Это объясняется следующими обстоятельствами:

1. При формировании оценки среднеквадратического отклонения скорости ветра учитываются значения корреляционной функции принятого радиосигнала, рассчитанные для большего количества отсчетов времени. Это позволяет более полно учитывать характер случайных флюктуаций принимаемых сигналов.

2. В формировании оценки среднеквадратического отклонения скорости ветра не участвует искаженный шумами нулевой отсчет корреляционной функции амплитуды принятого радиосигнала K(0). Данное обстоятельство приводит к уменьшению смещения оценки, которое особенно выражено при малых отношениях сигнал/шум.

Вышесказанное подтверждается результатами математического эксперимента, в ходе которого была смоделирована процедура обнаружения атмосферной области с высоким уровнем турбулентности. Сигнал от турбулентной области моделировался как случайный процесс с гауссовской спектральной плотностью мощности:

где S₀=S(0) - значение спектральной плотности мощности на нулевой частоте, ΔF - ширина спектральной плотности мощности принятого радиосигнала (при этом ширина спектральной плотности мощности амплитуды принятого радиосигнала равна . При моделировании были использованы следующие исходные данные:

1. Истинное среднеквадратическое отклонение скорости ветра: σ_w=1

м/с (слабая турбулентность), σ_w=5 м/с (сильная турбулентность).

2. Период повторения излучаемых радиоимпульсов T_r=0,2 мс;

3. Отношение сигнал/шум q²=(-20...40) дБ;

4. Количество отсчетов корреляционной функции, по которым осуществлялось оценивание ширины спектра, N=10;

5. Количество статистических испытаний, на основании которых вычислялись вероятности правильного необнаружения турбулентности D₀ (фиг.3) и вероятности правильного обнаружения сильной турбулентности D₁ (фиг.4), L=1000.

Анализ результатов моделирования свидетельствует, что в условиях малой турбулентности (см. фиг.3) заявляемый способ позволяет распознать данную ситуацию с вероятностью правильного необнаружения D₀ значительно большей, чем способ-прототип. Так при отношении сигнал/шум q²=10 дБ для заявляемого способа D₀≈0,98, в то время как у способа-прототипа D₀≈0. При обнаружении сильной турбулентности (см. фиг.4), при малых отношениях сигнал/шум (q²≤0 дБ) вероятности правильного обнаружения турбулентности достаточно велики у обоих способов: D₁≈0,95 для заявляемого способа и D₁≈1 - для прототипа.

Однако столь высокие показатели объясняются влиянием шумов, поскольку в рассматриваемой ситуации именно этот процесс является определяющим для ширины корреляционной функции и ширины спектральной плотности мощности амплитуды принимаемого сигнала. С увеличением отношения сигнал/шум (q²≥0 дБ) основное влияние на корреляционную функцию и спектральную плотность мощности амплитуды принимаемого сигнала начинает оказывать полезный метеосигнал, вследствие чего вероятность правильного обнаружения турбулентности D₁ у заявляемого способа начинает монотонно расти (см. фиг.4). У способа-прототипа, наоборот, наблюдается падение вероятности правильного обнаружения турбулентности D₁, поскольку полезная компонента принимаемого сигнала при σ_w=5 м/с оказывается сильно коррелированным процессом и выполнение условия при С=0,75 маловероятно. Таким образом, в диапазоне изменения отношения сигнал/шум q²≥0 дБ, характерного для метеорологической радиолокации, заявляемый способ позволяет обнаруживать атмосферные зоны с высоким уровнем турбулентности со значительно более высоким качеством.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Для реализации заявленного способа используется известная элементная база, что подтверждает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Способ обнаружения атмосферных областей с высоким уровнем турбулентности с использованием некогерентного метеорологического радиолокатора, согласно которому в исследуемую область периодически излучают радиоимпульсы некогерентного метеорологического радиолокатора, принимают отраженные находящимися в исследуемой области метеочастицами радиосигналы, определяют амплитуду принятого радиосигнала, вычисляют корреляционную функцию амплитуды принятого радиосигнала, отличающийся тем, что корреляционную функцию амплитуды принятого сигнала вычисляют во временных точках, интервалы между которыми кратны периоду повторения радиоимпульсов, определяют среднеквадратическое отклонение скорости ветра в исследуемой области из соотношения:

где σ_w - среднеквадратическое отклонение скорости ветра;

λ - рабочая длина волны некогерентного метеорологического радиолокатора;

- значение нулевого момента спектральной плотности мощности;

- значение второго момента спектральной плотности мощности;

k=(K(T_r), K(2T_r),..., K(NT_r)) - вектор отсчетов корреляционной функции амплитуды принятого сигнала во временных точках, интервалы между которыми кратны периоду повторения радиоимпульсов;

K(nT_r) - значение корреляционной функции во временной точке пТ_r;

T_r - период повторения излучаемых радиоимпульсов;

N - количество временных точек отсчета корреляционной функции;

Т - оператор транспонирования;

Н - оператор эрмитового сопряжения;

g_p, p=0, 1, 2 - вектор, равный {р+1)-му столбцу матрицы:

G=A(A^HА)^-1, где А - матрица размера N×N;

- элемент матрицы А, стоящий на пересечении m-й строки и n-го столбца m, n=1, 2,..., N, производят сравнение среднеквадратического отклонения скорости ветра с установленным пороговым уровнем σ_wnop и при σ_w≥σ_wnop делают вывод о наличии повышенной турбулентности в исследуемой области атмосферы.