Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования

Измерение запаса влаги в облаках представляет значительный интерес при решении ряда практических задач, в том числе для повышения эффективности систем активного воздействия на облака, предотвращения обледенения самолетов, а также для исследования физики атмосферы. В статье анализируются возможности...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Радіофізика та електроніка
Дата:	2017
Автори:	Веселовская, А.Б., Кабанов, В.А., Линкова, А.М., Одновол, А.В., Ткачева, Т.А., Хлопов, Г.И., Хоменко, С.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2017
Теми:	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130140
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования / А.Б. Веселовская, В.А. Кабанов, А.М. Линкова, А.В. Одновол, Т.А. Ткачева, Г.И. Хлопов, С.И. Хоменко // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 2. — С. 58-65. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130140
record_format	dspace
spelling	Веселовская, А.Б. Кабанов, В.А. Линкова, А.М. Одновол, А.В. Ткачева, Т.А. Хлопов, Г.И. Хоменко, С.И. 2018-02-06T17:42:45Z 2018-02-06T17:42:45Z 2017 Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования / А.Б. Веселовская, В.А. Кабанов, А.М. Линкова, А.В. Одновол, Т.А. Ткачева, Г.И. Хлопов, С.И. Хоменко // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 2. — С. 58-65. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1028-821X PACS: 9260 DOI: doi.org/10.15407/rej2017.02.058 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130140 551.508.85 Измерение запаса влаги в облаках представляет значительный интерес при решении ряда практических задач, в том числе для повышения эффективности систем активного воздействия на облака, предотвращения обледенения самолетов, а также для исследования физики атмосферы. В статье анализируются возможности применения активно-пассивного метода зондирования для восстановления вертикального профиля водности облаков с использованием измерений их радиояркостной температуры и радиолокационных данных об их мощности. Приведено описание алгоритма обработки данных радиолокационных и радиометрических измерений, технические характеристики радиофизического комплекса активно-пассивного зондирования. Также приведены результаты экспериментальных исследований профиля водности для слоистой облачности, полученные с помощью совместной обработки данных радара и радиометра на длине волны 8 мм и 3,2 см. Вимірювання об’єму вологи у хмарах являє значний інтерес для розв’язання ряду практичних задач, у тому числі для підвищення ефективності систем активної дії на хмари, запобігання обмерзанню літаків, а також для дослідження фізики атмосфери. У роботі аналізуються можливості застосування активно-пасивного методу зондування для відновлення вертикального профілю водності хмар з використанням вимірювань їх радіояркісної температури та радіолокаційних даних про їх потужність. Наведено опис алгоритму обробки даних радіолокаційних та радіометричних вимірювань, технічні характеристики радіофізичного комплексу активно-пасивного зондування. Також надано результати експериментальних досліджень профілю водності для шаруватих хмар, що були отримані з допомогою сумісної обробки даних радара та радіометра на довжині хвилі 8 мм та 3,2 см. The research regarding the liquid water content of clouds is quite important for the study of physical processes in the atmosphere, and development of ice protection system. The paper analyzes the possibilities of using the active-passive sounding method to restore the vertical profile of cloudiness with the use of measurements of its radio brightness temperature and radar data on its power. A description of the algorithm for processing radar and radiometric data, and the technical characteristics of the radiophysical active-passive sounding system is given. Also, the results of experimental studies of the water content profile for layered clouds obtained by the joint processing of radar and radiometer data at a wavelength of 3.2 cm and 0.8 cm are presented. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования Відновлення вертикального профілю хмар за допомогою активно-пасивного зондування Recovering the vertical cloud profile using active-passive sensing Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования
spellingShingle	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования Веселовская, А.Б. Кабанов, В.А. Линкова, А.М. Одновол, А.В. Ткачева, Т.А. Хлопов, Г.И. Хоменко, С.И. Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
title_short	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования
title_full	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования
title_fullStr	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования
title_full_unstemmed	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования
title_sort	восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования
author	Веселовская, А.Б. Кабанов, В.А. Линкова, А.М. Одновол, А.В. Ткачева, Т.А. Хлопов, Г.И. Хоменко, С.И.
author_facet	Веселовская, А.Б. Кабанов, В.А. Линкова, А.М. Одновол, А.В. Ткачева, Т.А. Хлопов, Г.И. Хоменко, С.И.
topic	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
topic_facet	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
publishDate	2017
language	Russian
container_title	Радіофізика та електроніка
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Відновлення вертикального профілю хмар за допомогою активно-пасивного зондування Recovering the vertical cloud profile using active-passive sensing
description	Измерение запаса влаги в облаках представляет значительный интерес при решении ряда практических задач, в том числе для повышения эффективности систем активного воздействия на облака, предотвращения обледенения самолетов, а также для исследования физики атмосферы. В статье анализируются возможности применения активно-пассивного метода зондирования для восстановления вертикального профиля водности облаков с использованием измерений их радиояркостной температуры и радиолокационных данных об их мощности. Приведено описание алгоритма обработки данных радиолокационных и радиометрических измерений, технические характеристики радиофизического комплекса активно-пассивного зондирования. Также приведены результаты экспериментальных исследований профиля водности для слоистой облачности, полученные с помощью совместной обработки данных радара и радиометра на длине волны 8 мм и 3,2 см. Вимірювання об’єму вологи у хмарах являє значний інтерес для розв’язання ряду практичних задач, у тому числі для підвищення ефективності систем активної дії на хмари, запобігання обмерзанню літаків, а також для дослідження фізики атмосфери. У роботі аналізуються можливості застосування активно-пасивного методу зондування для відновлення вертикального профілю водності хмар з використанням вимірювань їх радіояркісної температури та радіолокаційних даних про їх потужність. Наведено опис алгоритму обробки даних радіолокаційних та радіометричних вимірювань, технічні характеристики радіофізичного комплексу активно-пасивного зондування. Також надано результати експериментальних досліджень профілю водності для шаруватих хмар, що були отримані з допомогою сумісної обробки даних радара та радіометра на довжині хвилі 8 мм та 3,2 см. The research regarding the liquid water content of clouds is quite important for the study of physical processes in the atmosphere, and development of ice protection system. The paper analyzes the possibilities of using the active-passive sounding method to restore the vertical profile of cloudiness with the use of measurements of its radio brightness temperature and radar data on its power. A description of the algorithm for processing radar and radiometric data, and the technical characteristics of the radiophysical active-passive sounding system is given. Also, the results of experimental studies of the water content profile for layered clouds obtained by the joint processing of radar and radiometer data at a wavelength of 3.2 cm and 0.8 cm are presented.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130140
citation_txt	Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования / А.Б. Веселовская, В.А. Кабанов, А.М. Линкова, А.В. Одновол, Т.А. Ткачева, Г.И. Хлопов, С.И. Хоменко // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 2. — С. 58-65. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT veselovskaâab vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT kabanovva vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT linkovaam vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT odnovolav vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT tkačevata vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT hlopovgi vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT homenkosi vosstanovlenievertikalʹnogoprofilâoblakovspomoŝʹûaktivnopassivnogozondirovaniâ AT veselovskaâab vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT kabanovva vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT linkovaam vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT odnovolav vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT tkačevata vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT hlopovgi vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT homenkosi vídnovlennâvertikalʹnogoprofílûhmarzadopomogoûaktivnopasivnogozonduvannâ AT veselovskaâab recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing AT kabanovva recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing AT linkovaam recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing AT odnovolav recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing AT tkačevata recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing AT hlopovgi recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing AT homenkosi recoveringtheverticalcloudprofileusingactivepassivesensing
first_indexed	2025-11-26T16:35:20Z
last_indexed	2025-11-26T16:35:20Z
_version_	1850628266427154432
fulltext	РРООЗЗППООВВССЮЮДДЖЖЕЕННННЯЯ РРААДДІІООХХВВИИЛЛЬЬ,, РРААДДІІООЛЛООККААЦЦІІЯЯ ТТАА ДДИИССТТААННЦЦІІЙЙННЕЕ ЗЗООННДДУУВВААННННЯЯ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 © Г. Б. Веселовська, В. О. Кабанов, А. М. Лінкова, А. В. Одновол, Т. О. Ткачова, Г. І. Хлопов, С. І. Хоменко, 2017 УДК 551.508.85 PACS 9260 А. Б. Веселовская, В. А. Кабанов, А. М. Линкова, А. В. Одновол, Т. А. Ткачева, Г. И. Хлопов, С. И. Хоменко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: Khlopov@ire.kharkov.ua ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ОБЛАКОВ С ПОМОЩЬЮ АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Измерение запаса влаги в облаках представляет значительный интерес при решении ряда практических задач, в том чис- ле для повышения эффективности систем активного воздействия на облака, предотвращения обледенения самолетов, а также для исследования физики атмосферы. В статье анализируются возможности применения активно-пассивного метода зондирования для восстановления вертикального профиля водности облаков с использованием измерений их радиояркостной температуры и радио- локационных данных об их мощности. Приведено описание алгоритма обработки данных радиолокационных и радиометрических измерений, технические характеристики радиофизического комплекса активно-пассивного зондирования. Также приведены ре- зультаты экспериментальных исследований профиля водности для слоистой облачности, полученные с помощью совместной обра- ботки данных радара и радиометра на длине волны 8 мм и 3,2 см. Ил. 8. Табл. 3. Библиогр.: 13 назв. Ключевые слова: водность, высотный профиль водности, водозапас, мощность облака, затухание сигналов в атмосфере. Разработка дистанционных методов зон- дирования, в том числе с помощью радаров [1–4], является необходимым этапом исследования об- лаков на больших площадях. Сложность физических процессов, про- текающих в облаках, не позволяет однозначно характеризовать их влагозапас с помощью тради- ционного одночастотного радиолокационного зондирования, в связи с чем большой интерес представляют исследования по разработке активно- пассивных методов зондирования с одновремен- ным использованием радиолокаторов и радио- метров [5]. При этом возникает специфическая проблема объединения разнородных данных [6] с выходов датчиков, работающих на разных физи- ческих принципах. В связи с этим значительный интерес представляет исследование возможнос- тей совместного использования радиолокацион- ного и радиометрического датчиков для измере- ния профиля водности облаков. Теоретическое исследование одного из подобных методов выполнено в работах [7, 8], где приведены основные соотношения и рассмотрены особенности зондирования, а настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию описанного метода в натурных условиях с ис- пользованием двухчастотного метеорадара и ра- диометра. 1. Методика измерений. Как показали экспериментальные исследования [7–9], усред- ненный высотный профиль водности в облаках хорошо описывается 4-параметрической моделью в виде бета-распределения       , 1 1 00 max p p m m z         г/м 3 , (1) где h zz 1  – высота над основанием облака, нормированная на его толщину ;12 zzh  0 – нормированная высота максимума max профиля водности (рис. 1). Согласно данным контактных измерений, усредненные значения трех парамет- ров для кучевых облаков лежат в следующих пре- делах: ,1,083,00  8,08,2 m и ,22,057,0 p в связи с чем для восстановления профиля водности необходимо определить значе- ние максимальной водности max . Рис. 1. Профиль водности Для этого можно использовать прибли- женное соотношение для водозапаса облака W и его яркостной температуры ,bT К [10], которое получено с учетом затухания сигналов в газах атмосферы для диапазона  3,2 см и прак- тически не зависит от вида профиля водности и мощности облака:  .12,51132,0  bTW (2) max  ( )  1 0 0 mailto:Khlopov@ire.kharkov.ua А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 59 Интегрируя (1) по высоте, можно выра- зить водозапас  2 1 )( z z zdzW  [11] через парамет- ры бета-распределения:     ,1 1 1 000 max pm pm d h W        кг/м 2 . (3) Это позволяет определить максимальную вод- ность профиля max , измеряя радиометром яр- костную температуру облака ,bT а радаром – его мощность, как разность верхней и нижней границ «радиоэха» ,cos)( 12 RRh  где 2,1R – наклон- ная дальность до верхней и нижней границ обла- ка соответственно,  – зенитный угол (рис. 2). То есть       . 1 112,51132,0 1 0 00 max     pm pm b d h T    (4) Рис. 2. Схема дистанционного зондирования Таким образом, использование радиомет- рических измерений радиояркостной температу- ры облака и радиолокационных данных о мощ- ности облака позволяет восстановить высотный профиль его водности. Экспериментальные исследования про- водились с помощью разработанного авторами комплекса активно-пассивного зондирования, который включает в себя модернизированный метеорадар типа МРЛ-1 [6, 12] и радиометр [13] с совмещенными антеннами (рис. 3), а также аппа- ратурно-программный комплекс для цифровой обработки сигналов. Антенна радиометра крепится позади ос- новного зеркала радара, что обеспечивает высо- кое переходное затухание между активным и пас- сивным каналом (не менее 140 дБ), а юстировоч- ное устройство антенны радиометра обеспечивает совпадение осей диаграммы направленности (ДН) антенн с точностью не хуже 0,1. Управление поворотным устройством антенн по углу места и азимуту обеспечивается с помощью аппаратурно- цифрового комплекса, что позволяет сканировать пространство с учетом постоянных времени рада- ра (0,8 с) и радиометра (5 с). Рис. 3. Активно-пассивный измерительный комплекс на основе двухчастотного метеорадара и радиометра 3-см диапазона Выходные сигналы радара и радиометра транслируются по кабельным линиям в пункт обработки сигналов, который содержит аппара- туру цифровой обработки сигналов для ввода и обработки информации в персональный компью- тер (ПК). Радиометр [13] работает в 3-см диапазоне и включает в себя антенну, радиометрический приемник и регистрирующее устройство. В дан- ной работе использовалась оптимальная рупорно- параболическая антенна с раскрывом 260  220 мм, которая обеспечивает ширину ДН по уровню половинной мощности 6° в плоскости E и 8° в плоскости H при уровне боковых лепестков не более –27 дБ. Радиометрический приемник выполнен по модуляционной схеме и содержит мало- шумящий СВЧ-усилитель, а также входные элементы для его калибровки. Особенностью структурной схемы радиометра (рис. 4) является дистанционно-управляемый аттенюатор 1 с макси- мальным ослаблением более 30 дБ, который управляется от блока 10, в связи с чем в закрытом состоянии аттенюатор может выполнять роль согласованной нагрузки. zmax z2 z1 z x  Радиометр Радар А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ 60 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 Рис. 4. Структурная схема радиометра: 1 – управляемый атте- нюатор; 2 – вентиль; 3 – переключатель; 4 – СВЧ-усилитель; 5 – СВЧ-смеситель; 6 – гетеродин; 7 – предварительный усилитель промежуточной частоты; 8 – усилитель проме- жуточной частоты; 9 – квадратичный детектор; 10 – блок управления аттенюатором; 11 – генератор модуляционной частоты; 12 – термометр; 13 – опорная нагрузка с датчиком температуры; 14 – генератор шума В режиме калибровки используется внешний калибровочный генератор шума 14, ко- торый реализован на основе волноводной согла- сованной нагрузки 13, яркостная температура которой равна ее термодинамической температу- ре и регулируется путем нагрева, причем темпе- ратура контролируется электронным термомет- ром 12. В рабочем режиме (при открытом атте- нюаторе) переключатель 3 коммутирует вход СВЧ-усилителя 4 с частотой 20 Гц между выхо- дом антенны и выходом опорного источника шу- мов. При этом последующая цифровая обработка сигнала с помощью программы PowerGraph обеспечивает синхронное детектирование приня- тых сигналов в реальном масштабе времени. С выхода малошумящего усилителя 4 сигнал поступает на СВЧ-смеситель 5, на второй вход которого подается мощность гетеродина 6, выполненного на генераторе Ганна. Сигнал про- межуточной частоты fпч  1,2 ГГц поступает на малошумящий усилитель промежуточной часто- ты (УПЧ) 7, 8 с полосой 30 МГц, а выходной сиг- нал УПЧ подается на квадратичный детектор 9 и затем на один из каналов звуковой карты ПК. На другой канал карты подается сигнал генерато- ра модуляционной частоты 11, который обеспе- чивает работу переключателя каналов 3, что в дальнейшем позволяет реализовать синхронное детектирование принятого сигнала программным путем. Конструктивно радиометрический прием- ник выполнен в виде двух отдельных блоков, со- единенных между собой кабелем. В одном из блоков расположены СВЧ-узлы прибора и мало- шумящий усилитель промежуточной частоты, а во втором блоке находятся все остальные компо- ненты структурной схемы (рис. 4), включая блоки питания. Как показали лабораторные испытания, разработанный радиометр обладает флуктуаци- онной чувствительностью не хуже 2 К при поло- се фильтра на выходе 1 Гц. Радиолокационное зондирование прово- дилось с помощью модернизированного двухча- стотного радара типа МРЛ-1 [12], работающего в некогерентном режиме (рис. 5), структура кото- рого показана на рис. 6 и включает себя: оптико- телевизионное устройство (ОТВУ) для визуаль- ного наблюдения исследуемых объектов; блок калибровки (БК) для проведения абсолютных измерений радиолокационной отражаемости в динамическом диапазоне до 45 дБ; блок управле- ния антенной (БУА); блок сопряжения (БС) ПК. Рис. 5. Структурная схема активного канала радиофизическо- го комплекса Приемо-передающее устройство радара (рис. 6) состоит из двух каналов в диапазонах 8 мм и 3,2 см, которые используют общую зеркальную антенну  3,0 м. В фокусе антенны расположены два рупорных облучателя с совмещенными фазо- выми центрами. На выходе совмещенного облу- чателя используется диплексер (ДП), конструк- тивно совмещенный с облучателями антенны, а его плечи соединены с выходами соответствую- щих частотных каналов через вращающиеся со- членения (ВС) волноводов. На входе канала 3-см диапазона установ- лен встроенный измеритель мощности (ИМ) про- ходного типа, используемый для контроля мощ- ности магнетронного генератора (МГ). Для сов- местной работы приемника и передатчика на об- щую антенну в тракте установлен ферритовый циркулятор (ФЦ) и газовый разрядник (Р), кото- рый активируется поджигающим импульсом (ПИ). К выходу разрядника подключен направленный ответвитель (НО1), через боковое плечо которого вводится эталонный сигнал с выхода блока ка- либровки, а принятый сигнал подается на мало- шумящий усилитель (МШУ) через прямое плечо. Блок управления к П К t  2 6 1 3 12 14 13 11 10 7 5 4 8 9 БУ ПК БС МРЛ БУА ОТВУ А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 61 Направленный ответвитель (НО2) и атте- нюатор (АТ) обеспечивают работу системы авто- матической подстройки частоты (АПЧ), а смеси- тели каналов сигнала (СМсиг) и АПЧ (СМАПЧ) пи- таются от общего гетеродина на базе клистронно- го генератора (КГ), частота которого управляется из блока АПЧ. Сигналы с выхода усилителя про- межуточной частоты (УПЧ) канала сигнала по- даются на вход видеоусилителя (ВУ), располо- женного в блоке управления и индикации. Рис. 6. Структурная схема радара Для контроля частоты клистронного генератора сигналы с выхода УПЧ канала АПЧ подаются на дискриминатор (Д), выход которого определяет режим работы управляющего кас- када (УК), что позволяет подстраивать частоту гетеродина по сигналу магнетрона. Структурная схема канала 8 мм практи- чески не отличается от описанной выше и обес- печивает прием и передачу сигналов миллимет- рового диапазона с помощью общей антенны, а параметры приемо-передающего устройства обо- их диапазонов приведены в табл. 1. Таблица 1 Параметры приемо-передающего устройства Параметр Канал 3 см Канал 8 мм Импульсная мощность, кВт 250 50 Длительность импульса, мкс 0,5 0,5 Частота повторения, Гц 600 600 Предельная чувствительность, дБ/Вт –132 –115 Полоса пропускания, МГц 2,0 2,0 Линейный динамический диапазон, дБ 45 45 Коэффициент усиления антенны, дБ 46 58 Диаметр антенны, м 3,0 3,0 Уровень боковых лепестков, дБ –21 –23 Ширина луча антенны по уровню –3 дБ, град 0,75 0,3 Энергетический потенциал, дБ 215 210 Управление положением антенны по ази- муту и углу места осуществляется по заданной программе с помощью синхронно-следящего при- вода (ССП), а для визуального наблюдения иссле- дуемых метеообъектов на механическом приводе антенны закреплено ОТВУ, оптическая ось кото- рого совмещена с электрической осью антенны. 2. Результаты экспериментального ис- следования облаков. Активно-пассивное зонди- рование облаков проводилось в 2014–2016 гг. с использованием описанных выше двухчастотного радара и радиометра, а обработка результатов измерений осуществлялась в соответствии с раз- работанной выше методикой. Радиолокационная отражаемость облаков существенно зависит от рабочего диапазона длин волн, в связи с чем ре- зультаты радиолокационного зондирования могут отличаться в зависимости от выбранного диапа- зона. Поэтому измерения проводились одновре- менно в двух диапазонах длин волн 8 мм и 3,2 см для слоистой облачности; типичные радиолока- ционные изображения в указанных диапазонах приведены на рис. 7, а и б соответственно. а) б) Рис. 7. Радиолокационное изображение исследуемой облач- ности: а) канал 8 мм; б) канал 3 см При этом следует отметить, что изобра- жение 8-мм канала отличается несколько большей детальностью, хотя энергетический потенциал канала 3-см диапазона превышает соответствую- щее значение для 8-мм канала. Однако более ин- формативным является сравнение числовых дан- ных радиолокационного зондирования, в связи с чем в процессе измерений производилось вычис- ление следующих величин: водозапас W, к/м 2 ; средняя водность ,/ hW г/м 3 ; максимальная водность max , г/м 3 ; высота максимальной вод- ности ,0z км; мощность облака h, км; температу- ра у поверхности земли ,0T °С; радиояркостная температура облака с учетом вклада атмосферы ,bT °К. 0 3 6 9 12 15 H, км 10 5 0 R, км 0 3 6 9 12 15 H, км R, км 10 5 0 Канал 8 мм ДП ВС УК ИМ ФЦ МГ КГ УПЧ УПЧ Антенный привод модулятора От блока калибровки От ПИ Р мшу см сиг Канал 3 см АТ НО1 НО2 ВУ сигнала К блоку управления и индикации Д С С П п о уг лу м ес та С С П п о аз и м у ту см АПЧ УПЧ А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ 62 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 Как показали измерения, высотный про- филь сигналов, отраженных от облака, в значи- тельной мере неоднороден, что затрудняет опре- деление мощности облака. Поэтому для ее оценки вычислялось эффективное значение толщины облака в виде отношения ширины высотного профиля отраженной мощности и его максималь- ного значения, вычисленных с учетом фактора пространственного ослабления R –4 и пересчитан- ных в терминах наклонной дальности, ,)( cos max min max dRRP P h R R R R ef   (5) где )(RPR – зависимость принятой мощности от дальности для данного зенитного угла  ; max RP – максимальное значение отраженного сигнала; minR 450 м – минимальная наклонная дальность на границе «мертвой зоны»;  RNRmax  18,75 км – максимальная наклонная дальность, которая определяется количеством обрабатывае- мых ячеек дальности (N  250) и разрешающей способностью радара по дальности R( 75 м). Результаты вычислений представлены в табл. 2 и 3. ___________________________________________ Таблица 2 Данные зондирования облаков с учетом затухания в атмосфере Зенитный угол, ,  Длина волны, см Водозапас, W, кг/м2 Средняя водность, г/м3 Максимальная водность, max, г/м3 Высота максимальной водности, км Яркостная температура Тb,К (3,2 см) Эффективная мощность облака, hef, км 70 3,2 0,465 0,912 2,012 2,863 15,67 0,509 60 3,2 0,59 1,231 2,717 3,098 12,96 0,479 0,8 0,564 0,91 2,0 3,4 0,619 50 3,2 0,653 1,414 3,105 3,563 11,53 0,462 0,8 0,631 1,393 3,056 3,746 0,453 0 3,2 0,63 1,17 2,58 4,036 7,83 0,537 0,8 0,62 0,94 2,063 4,22 0,661 30 3,2 1,088 2,298 5,043 3,383 12,5 0,474 0 3,2 1,24 1,755 3,859 2,987 11,27 0,707 0,8 1,208 1,297 2,853 3,243 0,931 30 3,2 1,257 0,945 2,081 2,464 11,83 1,329 30 3,2 0,433 0,649 1,427 5,684 9,94 0,668 0 3,2 0,445 0,746 1,64 5,51 8,61 0,597 0,8 0,434 0,552 1,214 5,742 0,785 30 3,2 1,29 1,926 4,245 2,176 13,22 0,669 Таблица 3 Данные зондирования облаков без учета затухания в атмосфере Зенитный угол, ,  Длина волны, см Водозапас, W, кг/м2 Средняя водность, г/м3 Максимальная водность, max, г/м3 Высота максимальной водности, км Яркостная температура Тb,К (3,2 см) Эффективная мощность облака, hef, км 70 3,2 0,763 1,498 3,304 2,863 15,67 0,509 60 3,2 0,875 1,825 4,027 3,098 12,96 0,479 0,8 0,836 1,349 2,965 3,4 0,619 50 3,2 0,915 1,979 4,389 3,563 11,53 0,462 0,8 0,884 1,949 4,336 3,746 0,453 0 3,2 0,87 1,62 3,56 4,036 7,83 0,537 0,8 0,85 1,29 2,84 4,22 0,661 30 3,2 1,352 2,854 6,346 3,383 12,5 0,474 0 3,2 1,528 2,161 4,753 2,987 11,27 0,707 0,8 1,488 1,598 3,521 3,243 0,931 30 3,2 1,583 1,19 2,619 2,464 11,83 1,329 30 3,2 0,572 0,856 1,885 5,684 9,94 0,668 0 3,2 0,589 0,986 2,168 5,51 8,61 0,597 0,8 0,574 0,73 1,617 5,742 0,785 30 3,2 1,57 2,351 5,18 2,176 13,22 0,669 А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 63 В результате, как оказалось, толщина об- лака, измеренная в диапазоне   8 мм, всегда больше в среднем на 150 м, чем в диапазоне   3 см, что, впрочем, может быть объяснено более высо- кой чувствительностью 8-мм канала к мелким атмосферным частицам, которые составляют ос- новную долю верхней и нижней пограничных частей облака. Также следует отметить, что значения водозапаса облаков (столбец 3), измеренные в 3-см диапазоне и в диапазоне 8 мм, отличаются весьма незначительно (не более 3,5 %), хотя зна- чение водозапаса, измеренное в 3-см диапазоне, всегда больше, чем в 8-мм диапазоне. Важным параметром для практических приложений является средняя водность облака (столбец 4), которая в значительной мере опреде- ляет его пригодность для активного воздействия путем распыления химических реагентов [1]. Как оказалось, в рассматриваемом случае результаты измерения средней водности в 3-см диапазоне всегда превышают соответствующие значения в 8-мм диапазоне примерно на 25 %, что может быть обусловлено не только различием в изме- ренной мощности облака, но и разным затухани- ем сигналов 8-мм и 3-см диапазонов в облаке. Поэтому наиболее существенная часть жидко- капельной влаги, сосредоточенная в области мак- симума водности, в определенном смысле «экра- нируется» нижними слоями облака. Это подтверждается также расчетами максимальной водности (столбец 5), результаты измерения которой в 3-см диапазоне заметно превышают (на 22 %) соответствующие значения максимальной водности в 8-мм диапазоне. Представляет интерес сравнение резуль- татов обработки экспериментальных данных, рас- считанных с учетом (табл. 2) и без учета (табл. 3) затухания сигналов в атмосфере. Как показывает анализ, все измеренные величины (водозапас, средняя и максимальная водность), рассчитанные без учета затухания в атмосфере на 25–30 % пре- вышают соответствующие величины, вычислен- ные с учетом затухания. Это объясняется прене- брежением дополнительным затуханием в атмо- сферных газах, которое в данном случае транс- формируется в дополнительное затухание в обла- ках за счет несуществующей влаги. При сравнении результатов восстановле- ния высотного профиля водности (1), примеры которых приведены на рис. 8, заметно, что про- филь водности, измеренный с помощью радио- метра и радара для 3-см диапазона (рис. 8, а, сплошная кривая), заметно отличается от соот- ветствующих данных при использовании радара 8-мм диапазона (рис. 8, а, пунктирная кривая) за счет затухания 8-мм сигналов при измерении верхней границы облачности. При этом необхо- димо отметить факт незначительного (порядка 100…150 м) превышения оценки нижней границы профиля водности, измеренной в 8-мм диапазоне, по сравнению с данными, полученными с исполь- зованием радара 3-см диапазона. В этой связи значительный интерес представляет проведение экспериментов по сравнению данных дистанци- онного зондирования с результатами контактных измерений (например, с помощью шара-зонда), несмотря на значительные трудности при органи- зации подобных исследований. а) б) Рис. 8. Сравнение высотных профилей водности, рассчитан- ных с использованием данных радара на длинах волн 3 см (кривая 1) и 8 мм (кривая 2): а) с учетом ослабления в атмо- сферных газах; б) без учета ослабления в атмосферных газах Кроме того, несмотря на малое затухание сигналов в газах атмосферы, его влияние на ре- зультаты зондирования весьма ощутимо. Напри- мер, на рис. 8, б приведен вариант высотного профиля водности облака, полученного с учетом затухания в атмосфере (сплошная кривая) и без его учета (пунктирная кривая). Несмотря на сов- падение нижней и верхней границ профиля, мак- симумы водности заметно отличаются, как это следует из данных, приведенных в табл. 2 и 3 (столбцы 5), что подчеркивает необходимость учета ослабления сигналов в газах атмосферы. Выводы. В данной работе приведено опи- сание разработанного радиофизического комплек- са для активно-пассивного зондирования водности облаков, который состоит из двухчастотного не- 0 1 2 , г/м 3 4,3 4,3 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 h , к м 2 1 0 1 2 3 , г/м 3 4,1 4,05 4,0 3,95 3,9 3,85 3,8 3,75 3,7 3,65 3,6 h , к м 2 1 А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ 64 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 когерентного радара в 8-мм и 3-см диапазонах радиоволн, а также радиометра в диапазоне 3 см. Особенностью комплекса является совмещен- ные ДН антенн активного и пассивного каналов при высоком переходном затухании между ними ( 140 дБ). Комплекс оборудован цифровой систе- мой обработки сигналов с выходов обоих каналов и включает в себя программный продукт для обра- ботки результатов измерений. Проведены экспериментальные исследо- вания слоистой облачности по восстановлению высотного профиля водности. Результаты изме- рений позволяют сделать следующие выводы: – мощность облака, измеренная в диапазоне   8 мм, всегда больше в среднем на 150 м, чем мощность в диапазоне   3 см, что объясняется более высокой чувствительностью радиолокаци- онного канала 8-мм диапазона к мелким час- тицам облака, концентрация которых на верхней и нижней границах облака существенно падает; – значения водозапаса облаков, измеренные в 3-см диапазоне, незначительно отличаются от соответствующих величин, измеренных в диапа- зоне 8 мм (не более 3,5 %); – средняя водность облака, измеренная в 3-см диапазоне, всегда превышает соответствующие значения в 8-мм диапазоне примерно на 25 %, что объясняется различием в измеренной мощности облака и разным затуханием сигналов 8-мм и 3- см диапазонов; – значения максимальной водности, измерен- ные в 3-см диапазоне, заметно превышают (на 22 %) соответствующие значения максимальной водности, измеренные в 8-мм диапазоне. Сравнение результатов обработки экспе- риментальных данных с учетом и без учета зату- хания сигналов в атмосфере показывает, что рас- четы водозапаса, средней и максимальной воднос- ти без учета затухания в атмосфере на 25…30 % превышают соответствующие величины, вычис- ленные с учетом затухания. Это обстоятельство указывает на необходимость учета затухания сиг- налов в газах атмосферы. Профиль водности, измеренный с помо- щью радиометра и радара для 3-см диапазона, отличается от соответствующих данных при ис- пользовании радара 8-мм диапазона, причем нижняя граница профиля водности, измеренная в 8-мм диапазоне, незначительно (на 100…150 м) превышает оценки, полученные с использовани- ем 3-см радара. Библиографический список 1. Силаєв А. В., Баханов В. П., Баханова Р. А., Іванченко Л. В., Мірмович Л. О. Проблеми фізики хмар і активних впливів на метеорологічні процеси. К.: Наук. думка, 2004. 352 с. 2. Баранов А. М. Облака и безопасность полетов. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1983. 232 с. 3. Матвеев Л. Т. Физика атмосферы. Ленинград: Гидро- метеоиздат, 2000. 780 с. 4. Степаненко В. Д. Радиолокация и метеорология. Ленин- град: Гидрометеоиздат, 1966. 327 с. 5. Щукин Г. Г., Бобылев Л. П., Ильин Я. К. Методические вопросы и некоторые результаты зондирования конвек- тивных облаков с помощью пассивно-активной радио- локационной станции. Труды Главной геофизической обсер- ватории им. А. И. Воейкова. 1985. Вып. 490. С. 80–92. 6. Белов Е. Н., Войтович О. А., Линкова А. М., Руднев Г. А., Хлопов Г. И., Хоменко С. И. Двухчастотное зондирование жидких осадков с помощью метеорадара МРЛ-1. Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17), № 1. С. 4959. 7. Белов Е. Н., Войтович О. А., Кабанов В. А., Линкова А. М., Руднев Г. А., Ткачева Т. А., Хлопов Г. И., Хоменко С. И. Применение активно-пассивного зондирования для иссле- дования профиля водности облаков. Радиотехника. 2013. № 174. С. 32–42. 8. Белов Е. Н., Войтович О. А., Кабанов В. А., Линкова А. М., Ткачева Т. А., Хлопов Г. И., Хоменко С. И. Активно- пассивное зондирование облаков для восстановления профиля водности. 23-я Междунар. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». 8–14 сентября 2013. Севастополь, Крым, Украина. С. 1126–1127. 9. Войт Ф. Я., Мазин И. И. Водность кучевых облаков. Физика атмосферы и океана. Т. 8, № 11. 1979. С. 1166– 1176. 10. Kabanov V. А., Khomenko S. I., Khlopov G. I., Linkova А. М., Tkachova Т. А., Schuenemann K., Voitovych О. А. Algo- rithm for the Retrieval of Liquid Water Content Profile of Clouds by Active and Passive Remote Sensing. J. Earth Sci- ence Research. 2015. Vol. 3, Iss. 2. P. 13–22. 11. Степаненко В. Д., Щукин Г. Г., Бобылев Л. П., Матросов С. Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. Ленинград: Гидро- метеоиздат, 1987. 283 с. 12. Belov Ye. N., Voytovich O. A., Makulina T. A., Rudnev G. A., Khlopov G. I., Khomenko S. I. Software and hardware com- plex for investigation of meteorological radar echo. Telecom- munications and radioengineering. 2010. Vol. 69, N 17. P. 1517–1527. 13. Кабанов В. А. Радиометр для метеорологических измерений с точной калибровкой по яркостной темпера- туре неба. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 3. С. 11–17. REFERENCES 1. SILAEV, A. V., BAHANOV, V. P., BAHANOVA, R. A., IVANCHENKO, L. V., MIRMOVICH, L. О., 2004. Problems of cloud physics and active effects on meteorological processes. Kiev: Naukova Dumka Publ. (in Ukrainian). 2. BARANOV, A. M., 1983. Clouds and flight safety. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ. (in Russian). 3. MATVEEV, L. T., 2000. Physics of atmosphere. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ. (in Russian). 4. STEPANENKO, V. D., 1966. Radiolocation and meteorology. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ. (in Russian). 5. SHCHUKIN, G. G., BOBYLEV, L. P., ILYIN, Ya. K., 1985. Methodological issues and some results of probing convective clouds with the help of a passively active radar station. Works of Voeikov Main Geophysical Observatory. Vol. 490, pp. 80– 92 (in Russian). 6. BELOV, Ye. N., VOYTOVICH, O. A., LINKOVA, A. M., RUDNEV, G. A., KHLOPOV, G. I., KHOMENKO, S. I., 2012. Two-frequency sounding of liquid precipitation with the help of MRL-1 meteoradar. Radiophysics and Electronics. Vol. 3(17), no. 1, pp. 4959 (in Russian). 7. BELOV, Ye. N., VOYTOVICH, O. A., KABANOV, V. А., LINKOVA, A. M., RUDNEV, G. A., TKACHOVA, Т. А., KHLOPOV, G. I., KHOMENKO, S. I., 2013. Application of active-passive sounding to study the profile of the water content of clouds. Radio engineering. No. 174, pp. 32–42 (in Russian). А. Б. Веселовская и др. / Восстановление вертикального профиля… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 2 65 8. BELOV, Ye. N., VOYTOVICH, O. A., KABANOV, V. А., LINKOVA, A. M., TKACHOVA, Т. А., KHLOPOV, G. I., KHOMENKO, S. I., 2013. Active-passive sounding of clouds to restore the water content profile. In: 23nd Int. Crimean conf. "Microwave Engineering and Telecommunication Technologies". Sevastopol, Ukraine. Sept. 8–14. Pp. 1126– 1127 (in Russian). 9. VOYT, F. Ya., MAZIN, I. I., 1979. Water content of cumulus clouds. Atmosphere and ocean physics. Vol. 8, no. 11, pp. 1166–1176 (in Russian). 10. KABANOV, V. А., KHOMENKO, S. I., KHLOPOV, G. I., LINKOVA, А. М., TKACHOVA, Т. А., SCHUENEMANN, K., VOYTOVICH, O. A., 2015. Algorithm for the Retrieval of Liquid Water Content Profile of Clouds by Active and Passive Remote Sensing. J. Earth Science Research. Vol. 3, Iss. 2, pp. 13–22. 11. STEPANENKO, V. D., SHUKIN, G. G., BOBYLEV, L. P, MATROSOV, S. Yu., 1987. Radioteplotcation in meteorology. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ. (in Russian). 12. BELOV, Ye. N., VOYTOVICH, O. A., MAKULINA, T. A., RUDNEV, G. A., KHLOPOV, G. I., KHOMENKO, S. I., 2010. Software and hardware complex for investigation of meteorological radar echo. Telecommunications and Radio- engineering. Vol. 69, no. 17, pp. 1517–1527. 13. KABANOV, V. А., 2016. Radiometer for meteorological measurements with accurate calibration according to the brightness temperature of the sky. Radiophysics and Electronics. Vоl. 21, no. 3, pp. 11–17. Рукопись поступила 15.05.2017. A. B. Veselovskaya, V. A. Kabanov, A. M. Linkova, A. V. Odnovol, T. A. Tkachova, G. I. Khlopov, S. I. Khomenko RECOVERING THE VERTICAL CLOUD PROFILE USING ACTIVE-PASSIVE SENSING The research regarding the liquid water content of clouds is quite important for the study of physical processes in the atmosphere, and development of ice protection system. The paper analyzes the possibilities of using the active-passive sounding method to restore the vertical profile of cloudiness with the use of measurements of its radio brightness temperature and radar data on its power. A description of the algorithm for processing radar and radiometric data, and the technical characteristics of the radiophys- ical active-passive sounding system is given. Also, the results of experimental studies of the water content profile for layered clouds obtained by the joint processing of radar and radiometer data at a wavelength of 3.2 cm and 0.8 cm are presented. Key words: water content, altitude water profile, cloud power, attenuation of signals in the atmosphere. Г. Б. Веселовська, В. О. Кабанов, А. М. Лінкова, А. В. Одновол, Т. О. Ткачова, Г. І. Хлопов, С. І. Хоменко ВІДНОВЛЕННЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФІЛЮ ХМАР ЗА ДОПОМОГОЮ АКТИВНО- ПАСИВНОГО ЗОНДУВАННЯ Вимірювання об’єму вологи у хмарах являє значний інтерес для розв’язання ряду практичних задач, у тому числі для підвищення ефективності систем активної дії на хмари, запобігання обмерзанню літаків, а також для дослідження фізики атмосфери. У роботі аналізуються можливості застосу- вання активно-пасивного методу зондування для відновлення вертикального профілю водності хмар з використанням вимі- рювань їх радіояркісної температури та радіолокаційних да- них про їх потужність. Наведено опис алгоритму обробки даних радіолокаційних та радіометричних вимірювань, тех- нічні характеристики радіофізичного комплексу активно- пасивного зондування. Також надано результати експеримен- тальних досліджень профілю водності для шаруватих хмар, що були отримані з допомогою сумісної обробки даних радара та радіометра на довжині хвилі 8 мм та 3,2 см. Ключові слова: водність, висотний профіль вод- ності, водозапас, потужність хмар, загасання сигналів у атмо- сфері.

Восстановление вертикального профиля облаков с помощью активно-пассивного зондирования

Репозитарії

Схожі ресурси