Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы

• Автор: Кононов, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 05.12.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 178 с. : ил.

Содержание

Введение
Глава 1 Обзор методов и средств ветровых измерений в атмосфере
1.1 “Контактные” методы измерения параметров ветра
1.1.1 Анемометры
1.1.2 Шар-зонды
1.2 Дистанционные методы определения параметров ветра
1.2.1 Акустические методы
1.2.2 Радиоакустические и оптико-акустические методы
1.2.3 Оптические методы
1.2.4 Радиолокационные методы
1.3 Выводы по главе
Глава 2 Разработка требований к параметрам и расчет метеорологического потенциала радиолокационной измерения ветра в атмосфере
в различных метеоситуациях
2.1 Радиолокационные отражения от диэлектрических неоднородностей
2.2 Радиолокационные отражения от облаков, осадков и аэрозолей
2.3 Обоснование выбора длины волны излучения ветровой РЛС
2.4 Расчет требуемого метеорологического потенциала ветровой РЛС
2.5 Оценка эффективности ветрового импульсно-когерентного радиолокатора при заданном расчетном метеорологическом потенциале
2.6 Формирование требований и разработка схемы РЛС
2.7 Выводы по главе
Глава 3 Разработка методики измерений, алгоритмов обработки данных и восстановления профиля ветра

3.1 Модели формирования сигнала
3.2 Метод “круговых диаграмм”
3.3 Методика проведения измерений
3.4 Алгоритм обработки измерительных данных, полученных по методу “круговых диаграмм”
3.5 Анализ устойчивости метода “круговых диаграмм” методами математического моделирования
3.6 Оценка погрешности измерения параметров ветра по методу “круговых диаграмм”
3.7 Выводы по главе
Глава 4 Проверка методики измерения, отработка алгоритмов и программного обеспечения на макете 18мм ИКР
4.1 Измерительный комплекс на базе 18мм ИКР 1РЛ133
4.2 Настройка оборудования и модернизация алгоритма
4.2.1 Определение градуировочной характеристики канала дальности
4.2.2 Анализ измерительных сигналов и выработка предложений по модернизации комплекса и алгоритма
4.2.3 Определение нормировочного спектра шумов системы
4.3 Описание программного обеспечения
4.4 Выводы по главе
Глава 5 Натурные данные измерения ветра с помощью 8мм ИКР
5.1 Испытания макета 8мм ветрового ИКР в ЦКБ А
5.2 Сравнительные измерения ветра на макете 8мм ИКР и метеовышке (г. Обнинск)
5.3 Выводы по натурным измерениям
Заключение
Использованная литература

Введение
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке малогабаритного радиолокационного комплекса ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы (до высот около 1.5...2км), работающего в широком спектре метеоусловий. Проблема создания такого измерительного комплекса, способного определять высотный профиль параметров ветра в любых погодных условиях, в настоящее время в полной мере не решена как в России, так и в мире, и поэтому весьма АКТУАЛЬНА.
Ветер - явление природы, происходящее в атмосфере и представляющее собой направленное течение воздушных масс относительно земной поверхности. Ветер очень тесно связан с давлением, т.к. возникает в результате неравномерного его распределения. Ветровые потоки не стационарны: имеют изменчивость во времени; турбулизированы; подвержены влиянию орографии (неоднородностей на поверхности земли). Однако в физике атмосферы и в прогнозах погоды под термином ветер подразумевают усредненные значения потоков за период от нескольких минут до часов. Параметры турбулентности описываются отдельно, а их измерение требуется в специальных задачах, например, на глиссадах в аэропортах.
Роль ветра в жизни человека всегда огромна. В глобальном плане ветровой перенос определяет режим распределения влаги и тепла, что имеет большое значение для климата в различных регионах планеты.
Велика роль ветра для различных видов транспорта. Например, попутный ветер увеличивает скорость морских судов примерно на 1 3%, в то
время как встречный - снижает ее на 3...13% в зависимости от размеров и груза корабля [1]. Ветер также оказывает влияние на безопасность судоходства, т.к. опасные условия не редки и продолжительны. Прогноз ветра очень важен для навигации. Его учет позволяет наиболее оптимально выбирать курс и скорость движения судов и таким образом позволяет выигрывать во времени, экономить топливо и снижать стоимости перевозок.

измерения скоростей движения рассеивателей внутри метеообъектов, которые недоступны для изучения иными методами. Эти методы обладают высокой оперативностью и точностью, возможностью выполнять дистанционные измерения пространственных и временных характеристик не только ветра, но и параметров атмосферной турбулентности, скорости вертикальных течений, распределения капель по размерам и т.д.
Принципы радиолокационных методов основаны, по аналогии с оптическими методами, на взаимодействии электромагнитного СВЧ излучения с различного рода атмосферными неоднородностями, которые являются источниками отраженных сигналов, а также и на эффекте Доплера. Отметим то, что облачные образования в атмосфере “прозрачны” для электромагнитного излучения СВЧ диапазона по сравнению с оптическим диапазоном излучения. Эффект Доплера проявляется через модуляцию сигнала на выходе фазового детектора, регистрирующего фазовые состояния отраженного сигнала, зависящие от текущего измерения координаты неоднородностей (например, от импульса к импульсу).
Все многообразие радиолокационных средств измерения ветра можно классифицировать по принципам излучения и приема, а также по длинам волн (диапазону частоты) излучаемого сигнала. Так по характеру излучения ветровые РЛС разделяются на импульсные и непрерывные РЛС, последние разделяются по наличию или отсутствию различного рода модуляции излучаемого сигнала. Импульсные системы по характеру излучения и обработки сигнала разделяют на когерентные и некогерентные системы.
Непрерывные доплеровские радиолокаторы (НДР) активно применяются в системах предупреждения для обнаружения опасных ветровых явлений, таких как ураганы, торнадо, смерчи. Отличительной особенностью систем с непрерывным немодулированным излучением, по сравнению с импульсными системами, является простота конструкции и великолепно реализуемая энергетика. Это связано тем фактом, что собственные шумы аппаратуры определяются полосой пропускания приемника. Полоса пропускания