Поляризационный доплеровский метеорологический радиолокатор с-диапазона со сжатием импульсов
В.С. Ефремов,
Б.М. Вовшин,
И.С. Вылегжанин,
В.В. Лаврукевич,
Р.М. Седлецкий
Аннотация
В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных работ по обоснованию типа зондирующего сигнала и методов спектрального анализа (СА) для определения характеристик метеообъектов. По полученным данным проведен сравнительный анализ измеряемых параметров метеообразований для сигналов разных типов и подтверждена возможность применения сложных сигналов и "сверхразрешающих" методов СА для нужд метеолокации. Рассмотрены основные принципы построения разрабатываемого поляризационного доплеровского метеорологического радиолокатора диапазона 5,3 см и представлена структурная схема доплеровского метеорадиолокатора (ДМРЛ) с кратким описанием.
Ключевые слова: методы спектрального анализа, поляризационный доплеровский метеоролический радиолокатор.
Введение
В настоящее время во всем мире основным измерительным метеорологическим средством для дистанционного зондирования атмосферы являются метеорадары. зондирующий сигнал спектральный
С помощью метеорадиолокаторов в метеорологии производятся различные наблюдения:
- определение скорости и направления движения метеообразований;
- обнаружение атмосферных фронтов и границ облаков и осадков;
- обнаружение турбулентных и конвективных образований атмосферы;
- определение фазового состава метеообразований.
При этом как в отечественных, так и в зарубежных ДМРЛ используются простые зондирующие сигналы с высокой импульсной мощностью (несколько сотен кВт), а для разрешения противоречия между однозначностью измерений дальности и скорости используются два режима работы с различными периодами повторения импульсов. Недостатками указанных принципов являются:
- снижение производительности ДМРЛ из-за введения двух режимов работы: режим "отражаемость" (период вращения по азимуту 10 сек) и режим "скорость" (период - 20 сек);
- различная дальность действия ДМРЛ в зависимости от режима ("отражаемость" - 250 км, "скорость" - 125 км);
- высокая импульсная мощность передающего устройства, снижающая надежность, удобство эксплуатации и характеристики ЭМС ДМРЛ;
- большое число импульсов пачки, необходимое для точного измерения скорости метеообразований методом ДПФ или пульс-парным методом при ограниченном применении вобуляции частоты повторения импульсов (не более 3 различных периодов) с целью устранения неоднозначности по скорости;
- необходимость увеличения импульсной мощности передатчика в два раза для работы на двух поляризациях, что приводит к замене передатчика на более мощный и использования элегаза для поддува волноводного тракта.
Для традиционных РЛС, работающих с точечными целями, методы устранения отмеченных недостатков известны. В частности, для снижения импульсной мощности РЛС используются сложные сигналы, а для устранения неоднозначности по дальности и скорости - вобуляция периодов повторения импульсов в широких пределах. Для повышения точности оценки спектров применяются "сверхразрешающие" (по сравнению с методом ДПФ) алгоритмы спектрального анализа (СА). Однако применимость указанных методов в метеолокации не очевидна по нескольким причинам. Особенностью метеолокации является протяженный характер метеообъектов, их относительно невысокая скорость и возможная турбулентность.
Особенности применяемых сигналов и методов спектрального анализа
1.1. В отличие от классической радиолокации, где обнаруживаемые цели имеют размеры меньше размеров элемента разрешения, в метеолокации обнаруживаемые цели представляют собой протяжённые объекты, локация которых предъявляет особые требования к параметрам зондирующего сигнала, к корреляционной обработке и к стабильности характеристик приёмного и передающего трактов.
Метеолокатор должен обеспечивать хорошее разрешение гидрометеоров и с высокой точностью определять границы метеообразований. Кроме того, в метеолокации требуется высокая точность измерения мощности сигналов, отражённых от гидрометеоров.
В последнее время появились теоретические и экспериментальные результаты по использованию сложных сигналов в метеорадиолокаторах [1-5] с целью повышения потенциала и улучшения эксплуатационных характеристик МРЛ, при сохранении разрешающей способности, присущей простым сигналам.
В работе [6] было показано, что при использовании ЛЧМ сигналов, для обеспечения достоверности измерения параметров протяжённых объектов, практически такой же, как и для локатора с простым сигналом, необходимо использовать специальную весовую обработку - инверсную фильтрацию с последующим весовым окном Натолла. При такой обработке уровень боковых лепестков уменьшается до 97,5 дБ, а потери, при оптимальном выборе полосы пропускания инверсного фильтра, составляет величину 0,9 дБ, что на 0,4 дБ лучше, чем при использовании окна Хэмминга.
Дополнительное уменьшение потерь в отношении сигнал/шум с 0,9 дБ до 0,4 дБ можно получить при использовании специальных синтезированных нелинейночастотно модулированных (НЧМ) сигналов. Кроме того, НЧМ сигналы обеспечивают улучшение доплеровской устойчивости.
В результате проведения численного и натурного экспериментов были получены следующие результаты:
1. Синтезирован НЧМ сигнал, корреляционная функция которого имеет минимаксный уровень боковых лепестков 65 дБ и среднеквадратический уровень 70 дБ (рисунок 1) при потерях в отношении сигнал/шум 0.4 дБ для нулевого смещения частоты и 60-65 дБ при доплеровском смещении 2 кГц.
2. Проведено статистическое моделирование измерения параметров протяжённых объектов при использовании НЧМ сигналов.
3. Обработка НЧМ сигнала произведена во временной области.
Таким образом, основные преимущества НЧМ сигналов перед ЛЧМ - это меньшие потери в отношении сигнал/шум (0.4 дБ), более высокая доплеровская устойчивость, отсутствие инверсного фильтра и возможность обработки во временной области.
1.2. При оценке спектральных характеристик метеоцелей (для определения параметров скорости метеообъектов) традиционно применяется спектральный анализ на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ). В [7] анализировались особенности и недостатки классического спектрального анализа на основе ДПФ, обусловленные конечным временным интервалом наблюдения в каждом импульсном объеме.
В результате проведения натурного эксперимента была показана возможность улучшения качества воспроизведения энергетических спектров отражений, основанная на переходе к "сглаженным" вариантам ДПФ и "сверхразрешающим" алгоритмам спектрального оценивания [8-9]. В последних формируются различные "спектральные функции" (СФ) матрицы, обратной оценке априори неизвестной М х М корреляционной матрицы (КМ) М-элементной пачки отражений в соответствующем импульсном объеме.
Эти СФ могут быть сформированы только после получения оценок КМ. Поскольку функции этих оценок не могут содержать больше информации, чем содержится в самих оценках, было предложено отказаться от формирования "сверхразрешающих" СФ и извлекать необходимую информацию из параметров слабозаполненных сомножителей матрицы, обратной оценке КМ. Целесообразная структура сомножителей соответствует "обобщенной факторизации Левинсона" обратной матрицы, порождающей адаптивный решетчатый фильтр (АРФ) [10-12]. Параметры уже его первой ступени определяют три первых момента спектра (отражаемость, средняя доплеровская частота и ширина спектра), играющих важнейшую роль в определении характеристик гидрометеоров.
Результаты экспериментов
2.1. Особенности и многообразие возможных ситуаций не всегда поддаются корректному описанию при математическом моделирова-нии. Поэтому на этапе проектирования первого отечественного ДМРЛ были проведены натурные испытания с целью подтверждения основных принципов построения.
Эксперимент проводился на базе Филиала ГГО им. Воейкова и Центральной аэрологической обсерватории с использованием аппаратуры аэродромного радиолока-ционного комплекса (АРЛК) "Лира-А 10" (длина волны 10 см) и метеорадиолокатора МРЛ-5 (рисунок 2).
Эксперимент являлся полунатурным, поскольку прием и внутриимпульсная обработка (сжатие) отраженных сигналов были реализованы в реальном времени, а междупериодная обработка осуществлялась по записям реальных ситуаций на ЭВМ.
На первом этапе экспериментальных работ проводилось сравнение карт отражаемости при использовании простых и сложных сигналов.
На рисунке 3 показаны карты отражаемости, полученные аппаратурой "МЕРКОМ" при использовании штатной аппаратуры 3,2-см канала МРЛ-5 и АРЛК "Лира-А 10" (НЧМ сигнал длительностью 60 мкс) соответственно.
Сравниваемые карты отражаемости получены одновременно в одинаковых метеорологических условиях.
Полученные карты отражаемости хорошо согласуются при отображении одинаковой метеообстановки. Незначительно расхождение карт определяется разницей ширин и ориентаций максимумов диаграмм направленности антенной системы МРЛ-5 в 3,2-см и 10-см диапазонах, а также наличием отражений от подстилающей поверхности.
На втором этапе экспериментальных работ проводилась сравнительная оценка разрешающей способности при работе с простыми и сложными сигналами при использовании простого и НЧМ-сигналов АРЛК "Лира-А 10".
При сравнении разрешающей способности при использовании короткого сигнала АРЛК "Лира-А 10" (2 мкс) и НЧМ сигналов (60 мкс) для выравнивания энергетических потенциалов применялось накопление простых сигналов (100 импульсов) на выходе амплитудного детектора.
На рисунке 4 приведены профили отражаемости, полученные при некогерентном накоплении 100 простых импульсов (красный) и осреднения 100 импульсов НЧМ (синий), обработанных АРЛК "Лира-А 10".
Количественные оценки профилей сложного и простого сигналов показали высокую степень совпадения. Различие в профилях отражаемости в серии обработанных экспериментальных данных при динамическом диапазоне целей более 50 дБ находится в пределах 10-20 % для ОСШ более 7 дБ.
В результате обработки зарегистрированных данных 18.06.08 в 200-километровой зоне относительно точки стояния РЛС были получены данные о мощности отражений от метеообъектов с градиентами до 50 дБ в интервале 0-10 км от максимума. Для указанных уровней отсутствовало какое-либо влияние боковых лепестков на радиальное распределение мощности отражений от метеообъектов для сжатого НЧМ-сигнала.
2.2. Сравнительный анализ радиальных скоростей метеоотражений проводился различными методами (ДПФ, пульс-парный метод, метод Кейпона).
На рисунке 5 показана шкала скоростей, полученных при обработке. На рисунке 6 представлены скоростные характеристики, полученные при использовании простого и сложного сигналов в зоне 50 км и обработанные методом Кейпона.
Поля скоростей для простого и НЧМ-сигнала совпадают как качественно, так и количественно. Отличие площадей закрашенных областей объясняется более низким ОСШ для простого сигнала.
Кроме того, в ходе экспериментов проводился анализ спектров междупериодных флуктуаций для записей, сделанных при невращающейся антенне (записи простого и сложного сигнала осуществлялись с интервалом в 1 минуту).
Как видно из рисунка 7 радиальные скорости (т.е. центральные моменты спектров, вычисленных по пачкам в 200 импульсов методом ДПФ) для НЧМ и МОНО сигналов при ОСШ более 3 дБ полностью совпадают. Снижение ОСШ приводит к увеличению влияния шумов и ошибкам в определении скорости.
На рисунке 8 показаны спектры для МОНО и НЧМ сигналов, вычисленные по пачкам в 200 импульсов методом ДПФ (скорости показаны в интервале однозначности).
На данном типичном примере видно совпадение форм спектров для разных типов сигналов, а также значений скоростей максимумов спектральных компонент междупериодных флуктуаций. Незначительные отличия уровней максимумов объясняется различным ОСШ, а также временным разносом записей для разных типов сигналов. При этом в случае применения ДПФ для определения радиальной скорости требовалась пачка примерно в два раза большая, чем для метода Кейпона, что подтвердило теоретические исследования [7]. Кроме того, в ходе экспериментов было обнаружено, что реальные спектры метеоотражений при измерении радиолокационными методами часто бывают двух-, трехмодовыми. В случае применения пульс-парной обработки для определения спектральных характеристик метеообъектов это может привести к значительным ошибкам в определении реальных скоростей, поскольку данный способ СА основан на постулате о гауссовой форме спектра метеоотражений.
Таким образом, в ходе экспериментов было подтверждено, что спектр междупериодных флуктуаций не зависит от типа зондирующего сигнала, а также показано преимущество "сверхразрешающих" методов СА перед методом ДПФ и пульс-парной обработкой.
Краткое описание разрабатываемого поляризационного доплеровского метеолокатора С-диапазона