Методы зондирования окружающей среды. Дальности обнаружения метеорологических объектов

1. Методы зондирования окружающей среды

Дальности обнаружения
метеорологических объектов
Профессор Кузнецов Анатолий Дмитриевич
Российский государственный
гидрометеорологический университет

2.

При
проведении
радиозондирования атмосферы
рассматриваются
следующие
дальности:
предельная
радиовидимости;
дальность
- максимальная дальность
обнаружения.

3.

Определение
предельной дальности
радиовидимости
при отсутствии рефракции

4.

при отсутствии рефракции
Схема радиолокационного зондирования
(при отсутствии рефракции)

5.

При прямолинейном распространении радиоволн (без учета
рефракции) предельная дальность радиолокационного обнаружения
цели, называемая также «предельной дальностью прямой
видимости», будет равна
Rпред ( Rз h) Rз ( Rз H ) Rз
2
2
2
2
где Rз = 6370 км – радиус Земли.
( Rз h) 2 Rз
2
( Rз H ) 2 Rз
2

6.

Или
Rпред R 2 з 2h Rз h 2 Rз R 2 з 2H Rз H 2 Rз
2
2
Так как при расчете предельного значения Rпред выполняются
следующие неравенства:
2Rз >> h или 2Rз h >> h2
и
2Rз >> H или 2Rз H 2 >> H 2 ,
то при определении Rпред можно воспользоваться следующим
приближенным выражением (все параметры указываются в км):
Rпред 2Rз (
h
H ) [км]
или при задании высот в метрах:
Rпред 3.57 (
h[ м]
H [ м] ) [км]

7.

При высоте антенны МРЛ h = 50 м = 0.05 км и
высоте объекта радиолокационного обнаружения H = 5 км
предельная дальность обнаружения Rпред ≈ 278 км.
При высоте антенны МРЛ h = 50 м H = 0.05 км и
высоте объекта радиолокационного обнаружения H = 1 км
предельная дальность обнаружения Rпред ≈ 138 км.
При отсутствии экранирующих предметов (в голой
степи) два человека (Н = h = 1.8 10-3 км) смогут «видеть»
друг друга на предельном расстоянии Rпред ≈ 3.1 км.

8.

Определение
предельной дальности
радиовидимости
при наличии рефракции
(с использованием
метода эквивалентного радиуса Земли)

9.

При наличии рефракции для ее учета могут быть
использованы различные подходы и, в том числе,
рассмотренный ранее метод эквивалентного радиуса
Земли,
который
позволяет
свести
задачу
криволинейного распространения радиоволн к задаче
с прямолинейным распространением.
Для этого криволинейную траекторию луча как
бы “разгибают”, изменяя радиус Земли до тех пор,
пока траектория луча не станет прямолинейной.
Полученный таким образом радиус сферы
называют эквивалентным радиусом Земли Rэ.
и

10.

При рассмотрении методов учета рефракции в задачах
распространения радиоволн применение метода эквивалентного
радиуса Земли Rэ позволило получить следующее уравнение
1
1 dn
sin 0 1 H
sin
R3 n0 dh
которое , по определению метода, нужно рассматривать как
уравнение прямолинейного распространения радиолуча около
сферы, радиус которой Rэпри наличии рефракции определяется как
1
1 1 dn
Rэ R3 n0 dh
где n0 значение коэффициента преломления на уровне земной
поверхности, Rз - радиус Земли, dn/dh – постоянный градиент
коэффициента преломления в тропосфере.

11.

Введенное понятие эквивалентного радиуса
позволяет, в частности,
определить
дальность
радиовидимости
Rпр , т.е. такое расстояние до
объекта,
при котором
еще
возможно
его
«визуальное» обнаружение (объект не находится в
зоне радиотени).
Для нулевых углов возвышения антенны Rпр при
наличии
рефракции
определяется
следующим
выражением
Rпр 2 Rэ
H h ,
где
h высота антенны радиолокатора над
поверхностью, H – высота объекта над поверхностью.

12.

В условиях нормальной рефракции, когда
dn/dh = - 4 10 -8 м -1
Rэ 25000 км
и
Rпр (км) 4.1 H ( м) h ( м) .

13.

Определение
максимальной дальности
обнаружения
метеорологических объектов

14.

Ранее было показано, как можно определить
потенциальную
дальность
обнаружения
объекта
(дальность радиовидимости Rпр) с учетом следующих
факторов:
- сферичности Земли;
- радиорефракции.
При этом, если метеорологический объект
находится на расстоянии большим, чем Rпр, то это
означает, что он находится в зоне радиотени и
принципиально не может быть обнаружен и исследован
радиолокационными методами.
Напомним, что значение Rпр зависит от высот
антенны МРЛ и метеорологического объекта и
вертикального профиля коэффициента преломления в
тропосфере.

15.

Для определения другой важной характеристики,
также определяющей возможность исследования
метеорологических
объектов
радиолокационными
средствами - максимальной дальности обнаружения
метеорологических
объектов,
необходимо
обратиться к рассмотрению полученного ранее
основного уравнения радиолокации:
Za
P
2
Pш
R
Здесь
Рп – потоком излучения, сформированного импульсным
отражающим объемом, находящимся на расстоянии R от РЛС,
Pш - мощность
собственных
шумов
приемника
радиолокатора,
Прл - метеорологический потенциал МРЛ,
Za – радиолокационная отражаемость.

16.

Прологарифмируем
основное
уравнение
радиолокации метеорологических целей и умножим
левую и правую части полученного выражения на 10.
Тогда рабочий вид основного уравнения радиолокации
метеорологических целей можно записать следующим
образом:
Pп
Pш
где
Pп
Pш
П РЛ
10 lg Z a 20 lg R
Pп
10 lg
Pш
10 lg П РЛ
П РЛ
Размерности
двух
последних
апострофами) – децибеллы (дБ).
величин
(с

17.

Теоретический анализ возможностей исследования
рабочего вида основного уравнения радиолокации
метеорологических целей предполагает использование
следующих характеристик:
-
максимального радиуса действия МРЛ: Rmax;
минимального метеорологического потенциала
min ;
МРЛ: П РЛ
минимальной радиолокационной отражаемости
на заданном расстоянии: lg Z a min
Для нахождения формул для расчета этих
характеристик
необходимо
ввести
коэффициент
различимости
kразл,
определяющего
возможность
надежного
определения
отраженного
от
метеорологических
объектов
сигнала
на
уровне
собственных шумов приемника МРЛ.

18.

Величина
коэффициента
различимости
определяется следующим выражением:
k разл
Pп
Pш
kразл
'
min
где в правой части уравнения стоит минимальная
величина отношения сигнала к величине шума,
различимая МРЛ (например, для МРЛ-2 эта величина
принималась равной 2 дБ, т.е. Рп ≥ 1.6 Рш).
В дальнейшем, при определении введенных выше
характеристик, всегда в рабочем виде основного
уравнения радиолокации метеорологических целей
величина отношения сигнал-шум будет заменяться
значением kразл.

19.

Максимальный радиус действия МРЛ

20.

Заменим правую часть основного уравнения
радиолокации (в рабочем виде) на величину kразл и затем
решим его относительно lg R. В результате получим
выражение, определяющее максимальный радиус
действия МРЛ:
lg Rmax
1
10 lg Z a k разл )
( П РЛ
20

21.

Определение максимального радиуса Rmax :
максимальным радиусом действия МРЛ называется
такое
расстояние,
при
котором
радиолокатор,
min
П РЛ
обладающий потенциалом
, может уверенно
обнаружить метеорологический объект, обладающей
радиолокационной отражаемостью Za и находящийся в
зоне радиовидимости, т.е на расстоянии, меньшим или
равным Rпр.

22.

Минимальный
метеорологический потенциал МРЛ

23.

Для
определения
минимального
метеорологического потенциала МРЛ необходимо
рассмотреть случай, когда выполняется следующее
равенство:
Rmax = Rпр.
Тогда,
заменив
в
основном
уравнении
радиолокации (в рабочем виде) R на Rпр и разрешив
полученное уравнение относительно метеорологического
потенциала МРЛ, получаем искомое уравнение для
расчета минимального потенциала МРЛ:
min 20 lg Rпр 10 lg Z a k разл
П РЛ

24.

Определение: минимальным потенциалом
МРЛ называется такой потенциал, при котором
метеорологический
объект,
обладающий
радиолокационной
отражаемостью
Za
и
находящийся на предельном расстоянии Rпр, может
быть уверенно обнаружен МРЛ.
Минимальный потенциал МРЛ существенно
зависит
от
величины
радиолокационной
отражаемости Za , т.е. от типа метеорологического
объекта (туман или конвективное облако).

25.

Минимальная
радиолокационная отражаемость
на заданном расстоянии

26.

Определим
значение
минимальной
радиолокационной отражаемости Za min, при которой
метеорологический объект, находящийся на предельном
расстоянии может быть обнаружен МРЛ с заданным
метеорологическим потенциалом (например, серийно
выпускаемой МРЛ).
Для этого решим основное уравнение радиолокации
(рабочий вид) относительно lg Za при R = Rпр:
k разл )
lg Z a min 0.1 (20 lg Rпр П РЛ

27.

Определим
значение
минимальной
радиолокационной отражаемости Za min, при которой
метеорологический объект, находящийся на предельном
расстоянии может быть обнаружен МРЛ с заданным
метеорологическим потенциалом (например, серийно
выпускаемой МРЛ). Для этого решим основное уравнение
радиолокации (рабочий вид) относительно lg Za при R =
Rпр:
k разл )
lg Z a min 0.1 (20 lg Rпр П РЛ
Определение: минимальная радиолокационная
отражаемость метеорологического объекта Za min - это
такая отражаемость, при которой МРЛ с заданным
метеорологическим
потенциалом
может
уверенно
обнаружить этот объект во всем поле «зрения» локатора,
т.е. при R ≤ Rпр.

28.

Минимально обнаруживаемая радиолокационная
отражаемость в зависимости от расстояния при заданном
потенциале

29.

Факторы, влияющие на работу МРЛ

30.

Иллюстрация блокировки радиолокационного луча
препятствиями (на рисунке – слева).

31.

3
2
1.5
1
0.5
80
11
5
15
0
18
5
22
0
25
5
28
0
31
5
35
0
50
28
0
0
угол места
2.5
азимут
График закрытости горизонта в районе МРЛ-5, АМСГ
Томск

32.

Пример частичной (азимут 239 ) и полной (азимут 157 и
192 ) блокировки радиолокационного луча
естественными препятствиями на ДМРЛ-С «Мин.Воды».
Карта PPI Z для угла места 2,197 .

33.

Карта ОЯ ДМРЛ-С «Казань» за 23.06.13 12:51 ВСВ.
Сектор по азимутам с 128 - по 137 , экранированный
мощной конвективной зоной Cb со шквалами, грозами,
ливнями, расположенной вблизи ДМРЛ, оказался
«пустым», без ОЯ.

34.

Карта Zdr на высоте 5км, ДМРЛ-С «Казань» за
23.06.13 12:51 ВСВ с пустым сектором по азимутам с
128-137 , экранированным мощной конвективной
зоной