На рисунке 9 представлена структурная схема разрабатываемого доплеровского метеорологического радиолокатора.
Антенная система ДМРЛ включает в себя параболическую антенну с круглым рупором, обеспечивающим игольчатые ДН по каналам вертикальной и горизонтальной поляризаций; опорно-поворотное устройство; СВЧ вращающиеся сочленения; датчики угловых перемещений по азимуту и углу места; приводы азимутального вращения и угломестного качания. Ширина луча антенны для каждой поляризации не более 1 град, уровень боковых лепестков не более минус 29 дБ; излучаются независимо горизонтальная и вертикальная поляризации.
Рис.9. Структурная схема ДМРЛ
Аппаратный модуль включает в себя клистронный усилитель мощности; четырехканальное полностью твердотельное приемное устройство, обеспечивающее линейный динамический диапазон более 100 дБ для каждой из поляризаций; систему цифрового формирования и обработки сигналов; систему метеорологической обработки и связи с потребителями; вспомогательные системы (системы электропитания, обеспечения тепловых режимов, контроля и управления и т.д.).
Передающее устройство построено по принципу внутренней когерентности и состоит из одного передатчика на базе высокостабильного клистронного усилителя мощности С-диапазона, с полностью твердотельным модулятором, резонансным стабилизатором анодного напряжения 10 кВ и воздушным охлаждением. На выходе формирователя сигналов формируется зондирующий сигнал длительностью от 1 мкс (короткий импульс) до 100 мкс (НЧМ-импульс) с минимальной скважностью 20, усиливаемый в передатчике до 15 кВт. Такое построение обеспечивает необходимый уровень средней мощности и обеспечивает радиус зоны ответственности от 1 до нескольких сотен км. На выходе передатчика устанавливается делитель на 2 для обеспечения излучения на двух ортогональных поляризациях.
Использование НЧМ-сигналов позволяет измерять скорость и отражаемость без изменения частоты повторения импульсов, увеличить на коэффициент сжатия динамический диапазон, а также устранить неоднозначную дальность за счет применения ортогональных сигналов (при использовании разного наклона при модуляции частоты).
Приемная система состоит из двух каналов, обрабатывающих независимо вертикальную и горизонтальную поляризации. Каждый приемный канал состоит из двух подканалов, обеспечивающих прием и преобразование радиолокационных сигналов с выхода волноводного тракта. При этом для обеспечения линейного динамического диапазона на уровне 100 дБ один из каналов работает от выхода направленного ответвителя с ослаблением относительного основного канала 30-40 дБ. Коэффициент шума каждого канала приемного устройства составляет не более 3 дБ.
Система обработки сигналов и информации обеспечивает цифровую обработку сигналов, первичную и метеорологическую обработку радиолокационной информации.
Аналого-цифровое преобразование эхо-сигналов каждого приемного канала производится в первичной обработке на промежуточной частоте, для чего используется 14-разрядный АЦП. Аппаратура цифровой обработки совместно с приемным трактом обеспечивает линейный динамический диапазон обрабатываемых сигналов порядка 70 дБ в каждом подканале. Совместная обработка двух подканалов позволяет получить сквозной линейный динамический диапазон не менее 100 дБ. Система оценки отражаемости и спектральных характеристик метеообъектов реализуется на специальном сигнальном процессоре. Коэффициент подавления отражений от неподвижных местных предметов не хуже 50 дБ.
Система вторичной метеорологической обработки информации не реже одного раза в несколько минут обеспечивает представление в виде карт горизонтального и вертикального сечений пространства, а также кодирует и выдает потребителям следующую информацию о:
- отражаемости в горизонтальных сечениях на различных уровнях высоты и вертикальных сечениях по различным азимутам;
- высотах облачности;
- радиальных доплеровских скоростей в горизонтальных сечениях на различных уровнях высоты;
- среднеквадратичной ширины спектра скоростей;
- опасных метеоявлений;
- видимости в осадках;
- интенсивности осадков;
- количестве осадков за любой промежуток времени наблюдений;
- скорости и направления перемещения облачных систем;
- скорости шквалов;
- фазовом состоянии метеообъектов.
Автоматизированная система контроля и управления обеспечивает контроль всех основных параметров ДМРЛ (выходной мощности, КСВ, чувствительности приемника и т.д.), контроль работоспособности всех устройств локатора, а также управление режимами работы по команде оператора.
Заключение
Проведенный теоретические и экспериментальные исследования показали, что достигнутый уровень боковых лепестков сжатого сигнала (менее 50 дБ) не влияет на возможности определения отражаемости метеообразований и классификации опасных метеоявлений при использовании сложных сигналов в метеолокации.
Результаты сравнительной оценки основных параметров спектров метеообразований, полученные при использовании простых и сложных сигналов, имеют высокую степень подобия. Результаты экспериментов подтверждают предсказанные теорией преимущества по сравнению с традиционным для метеолокации методом ДПФ "сверхразрешающих" методов спектрального анализа (в частности, использованных в эксперименте модификаций методов Кейпона и Берга).
Полученные результаты подтверждают возможность использования сложных сигналов (типа НЧМ с уровнем боковых лепестков менее 50 дБ) и "сверхразрешающих" методов спектрального анализа в метеорадарах. При этом, при разработке серийных ДМРЛ возможно независимое изменение разрешающей способности и уровня средней мощности радиолокатора за счет цифрового формирования и обработки сигналов.
Результаты исследований положены в основу разрабатываемого доплеровского метеорологического радиолокатора диапазона 5,3 см и представлены в виде варианта построения передатчика со сложным сигналом в Техническом задании на ОКР "ДМРЛ-С".
Литература
1. Bech, J., Vilaclara, E., Pineda, N., Rigo, T., Lуpez, J., O'Hora, F., Lorente, J., Sempere, D., Fаbregas, F. X., 2004: The weather radar network of the Catalan Meteorological Service: description and applications. European Conference on Radar in Meteorology and Hydrology (ERAD) - COST 717 Final Seminar, ERAD Publication Series Vol 2. Copernicus GmbH (c) 2004, ISBN 3-936586-29-2, pp. 416-420.
2. Ivic, IR, A Zahrai and DS Zrnic, 2003. Whitening in range to improve weather radar spectral moment estimates. Part 2: Experimental evaluation. J. Atmos. Oceanic, Technol., 20, 1449-1459.
3. O'Hora, F. and Bech, J., 2005: Operational use of pulse compression in weather radar. 32nd Conference on radar meteorology, AMS, Albuquerque, NM.
4. O'Hora, F and Keeler R. J., 2006: Comparison of Pulse compression & Whitening Transformation signal processing. Proceedings of the ERAD2006.
5. Puhakka, T., Puhakka, P. and O'Hora F., 2006: On the performance of NLFM pulse compression with Polarimetric Doppler radar. Proceedings of the ERAD2006.
6. Gennady P. Bendersky, Viacheslav S. Efremov, Rudolf M. Sedletsky. The Syntesis of Signal, Steady to Doppler Shift of Frequency for Air Traffic Radar Control Radars. India, IRSI, 2003.
7. Леховицкий Д.И., Жуга Г.А., Вовшин Б.М., Лаврукевич В.В., Извлечение метеоинформации на основе спектрального и корреляционного анализа отражений в импульсных доплеровских метеорологических РЛС // Прикладная радиоэлектроника, т. 6 № 4. 2007, стр. 491-510.
8. Леховицкий Д.И., Атаманский Д.В., Кириллов И.Г. Разновидности "сверхразрешающих" анализаторов пространственно-временного спектра случайных сигналов на основе обеляющих адаптивных решетчатых фильтров // Антенны.-2000.-№2.-С.40-54.
9. Леховицкий Д.И.,Зарицкий В.И., Бурковский С.И., Полишко С.В. Системы междупериодной обработки сигналов на фоне гауссовых пассивных помех в импульсных РЛС (теория, структуры, потенциальная и реальная эффективность). Сборник научных трудов 2-го Международного радиоэлектронного форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" (МРФ' 2005). Харьков, 2005, Т. 2, с. 20 - 23.
10. Lev-Ari H., Kailath T. Schur and Levinson algorithms for nonstationary processes. Proc. IEEE Int. Conf. Acoust, Speech and Signal Process (Atlanta, CA, March 1981), p.860-864.
11. Леховицкий Д.И. Обобщенный алгоритм Левинсона и универсальные решетчатые фильтры. // Радиофизика.-1992.-т.35.-№9-10.-С.790-808.
12. Леховицкий Д.И., Милованов С.Б., Раков И.Д., Свердлов Б.Г. Универсальные адаптивные решетчатые фильтры. Адаптация при заданном корне из оценочной корреляционной матрицы // Известия ВУЗов. Серия Радиофизика. - 1992. - № 11 - 12. - С. 969-992.