Статистика дальности радиолокационных станций в гидрометеорах

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТАТИСТИКА ДАЛЬНОСТИ РЛС В ГИДРОМЕТЕОРАХ

Р. П. Быстров,

А. В. Соколов,

Л. В. Федорова

В течение ряда лет в ИРЭ РАН проводятся исследования ослабления миллиметровых волн (ММВ) в тропосфере применительно к созданию перспективных радиолокационных систем на основе передовых новейших технологий.

Теоретически и экспериментально исследовано ослабление радиоволн в дождях и других гидрометеорах (туманах, облаках). Молекулярное поглощение в парах воды и нерезонансное поглощение в кислороде. Изучена статистика удельного поглощения в парах воды в зависимости от широты места [1, 2]. На основе теории квантовой механики рассчитаны вероятностные распределения удельного поглощения в водяном паре в окнах прозрачности атмосферы на волнах 8, 2 и 3, 2 мм для субтропического, умеренного и континентального климата на 42, 56 и 69° с.ш. Согласно расчетам отношение коэффициента поглощения, соответствующего 1% времени к его значению, соответствующему 50% времени, на обеих длинах волн изменялась с ростом широты места в интервале от 1, 8 до 2, 7. Это свидетельствует о возможности обеспечения большей дальности действия миллиметровых РЛС в северных широтах по сравнению с южными.

Результаты теоретических расчетов ослабления ММВ в дождях, выполненные на основе теории однократного рассеяния с применением различных моделей распределения капель по размерам, соответствовали экспериментальным данным только на коротких трассах. На трассах сравнительно большей протяженности наблюдалось расхождение теории с экспериментом из-за пространственной и временной неоднородности дождей.

С целью выработки единого подхода к исследованию влияния гидрометеоров и атмосферных газов на работу РЛС в ИРЭ РАН предложен статистический метод оценки дальности действия РЛС по усредненным статистическим данным многолетних метеонаблюдений за изменением атмосферных факторов. Метод позволяет учесть одновременное влияние на дальность действия РЛС гидрометеорного ослабления и молекулярного поглощения.

На первоначальном этапе с помощью этого метода рассчитаны и исследованы статистические распределения ослабления миллиметровых (ММ), сантиметровых (СМ) и дециметровых (ДМ) волн в дождях с учетом их временной и пространственной неоднородности [3-5]. Расчеты выполнены на основе усредненных за 23 года данных о вероятности выпадения дождей различной интенсивности в средней полосе Европейской территории России.

Далее для всех указанных диапазонов рассчитаны и исследованы вероятностные распределения полного суммарного ослабления радиоволн в тропосфере за счет одновременного влияния статистик ослабления в дождях, дождевых облаках и туманах, а также статистик поглощения в водяном паре и нерезонансного поглощения в кислороде.

По результатам этих исследований выполнены статистические оценки дальности действия тропосферных РЛС миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов волн и приведен сравнительный анализ преимущественного влияния статистик отдельных метеофакторов на статистику полного ослабления и статистику дальности действия РЛС в различных диапазонах волн.

1. Дальности действия РЛС миллиметрового диапазона волн

Для удобства сравнения параметров РЛС на различных длинах волн уравнение дальности действия РЛС можно представить в виде [3]:

, (1)

где - полное ослабление сигнала в атмосфере в дБ/км; П - потенциал РЛС, равный отношению мощности, излучаемой в антенну, к чувствительности приемника; d - диаметр апертуры антенны в м; - длина волны в мм; R - длина трассы в км; у - эффективная поверхность рассеяния объекта в кв.м.

Уравнение (1) позволяет учитывать одновременное влияние на величины дальности РЛС поглощения в парах воды и в кислороде, ослабления в туманах, а также ослабления в дождях, которые на ММВ является наиболее сильным зависимым от длины трассы [4].

На рис.1 показаны статистики ослабления в дождях в умеренном климатическом поясе для длин волн 8, 2 и 3, 2 мм.

Рис. 1. Временные распределения ослабления в дождях на волнах 8, 2 и 3, 2 мм.

Статистики ослабления рассчитаны на основе усредненных за 23 года метеоизмерений процентов времени выпадения дождей различной интенсивности в интервалах 1-100 мм/ч в средней полосе Европейской территории России. По оси абсцисс отложено ослабление в дБ/км, по оси ординат - усредненное время в % в течение которого ослабление за период года равно или меньше значения, указанного абсциссой. Из рис.1 следует, что вероятность выпадения дождей с интенсивностью 1-100 мм/ч для средней полосы Европейской территории России находится в пределах 0, 8-10 ^-4 % времени. Усредненные статистики вероятности выпадения дождей для расчета статистик ослабления могут быть получены для разных климатических районов. Для Севера и Средней Азии такие усредненные статистики представлены в [5].

На основе предложенного метода расчета статистик ослабления радиоволн в тропосфере по усредненным данным многолетних измерений статистик метода параметров методом математического моделирования проведена оценка вероятностных распределений дальности действия миллиметровых РЛС для средней полосы Европейской территории России [1-4].

Для оценки влияния на дальность действия РЛС были приняты типичные параметры миллиметровых РЛС: мощность передатчика 1 Вт, чувствительность приемника 10^-16 Вт/Гц, потенциал РЛС 10¹⁵, длительность импульса 1 мкс, отношением сигнал/шум 10 дБ, диаметр антенны 1 м. ЭПР цели принималась равной 1 м^2.

Рис. 2. Вероятностные распределения дальности действия РЛС в суммарного поглощения на миллиметровых волнах.

На рис. 2 представлены результаты оценок статистик дальностей РЛС ММВ для пяти длин волн: 8, 2; 6, 0; 3, 2; 2, 5 и 1, 42 мм с учетом молекулярного поглощения в парах воды, нерезонансного поглощения в кислороде и статистик ослабления в дождях и туманах [3, 6].

По оси абсцисс отложен процент времени, в течение которого дальность действия РЛС за период года не превышает значения, указанного ординатой (R, км). На оси абсцисс указаны также значения интенсивности дождя в мм/ч, соответствующие определенному проценту времени.

Анализ результатов моделирования дальности действия РЛС на рис.2 показывает, что на волнах 8, 2; 6, 0; 3, 2; 2, 5 и 1, 42 мм при интенсивностях дождя до 5 мм/ч наблюдается небольшое уменьшение дальности РЛС с уменьшением длины волны. При этом на длинах волн в 8, 2 и 3, 2 мм обеспечиваются дальности РЛС до 12 и 5 км соответственно.

В центрах линий поглощения паров воды и кислорода (волны 1, 64 и 5 мм) дальность действия РЛС из-за большого молекулярного поглощения существенно уменьшается.

По формуле Релея оценено влияние статистики туманов с различной оптической видимостью на дальность действия миллиметровых РЛС на волнах 8, 2 и 3, 2 мм. Результаты оценок приведены в табл. 1.

Таблица 1. Дальность действия РЛС в туманах с различной оптической дальностью видимости (в км и % уменьшения ее по отношению дальности в чистой атмосфере)

Из табл.1 следует, что сильные туманы (дальность видимости 50-100 м) уменьшают дальность действия РЛС на волне 8, 2 мм до 57-70 % и на волне 3, 2 мм до 30-40 % по сравнению с её значениями в чистой атмосфере. При оптической дальности видимости порядка 1000 м снижение дальности РЛС на волнах 8, 2 и 3, 2 мм не превышает соответственно 4 и 18 %.

2. Дальность действия РЛС на дециметровых и сантиметровых волнах

На основе предложенного метода расчета статистик ослабления радиоволн в тропосфере и соотношения (1) проведен сравнительный анализ влияния молекулярного поглощения и гидрометеорного ослабления на дальность действия РЛС дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн.

В целях сравнения для всех диапазонов были приняты одинаковые параметры РЛС: потенциал систем П= 3·10¹⁵ и диаметр круглого параболоида антенны 8 м. Эффективная поверхность рассеяния цели была принята равной 50 м². Ослабление определялось в соответствии уравнению (1) для длин волн 100, 30, 10 и 3 см. Интенсивность дождей вдоль трассы предполагалась однородной.

Для определения дальности действия РЛС с учетом полученных значений ослабления уравнение (1) решалось методом интерполяции.

Влияние молекулярного и гидрометеорного ослабления на этих волнах согласно (1) представлено в табл. 2, где приведены величины дальности действия РЛС за счет поглощения в водяном паре и нерезонансного поглощения в кислороде, а также ослабления в дождях.

Таблица 2. Влияние молекулярного поглощения и гидрометеорного ослабления на дальность действия дециметровых и сантиметровых РЛС (в %относительно дальности действия в 100 км)

Результаты оценок дальности действия РЛС даны в табл.2 в процентах относительно дальности действия 100 км, где полное молекулярное и особенно нерезонансное поглощение в кислороде, ослабление в туманах и дождях слабо влияют на дальность действия РЛС в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн и практически не влияют на её значения в диапазоне метровых волн. Согласно оценкам наиболее сильные туманы с видимостью 50 м, не вызывают заметного уменьшения дальности действия РЛС на ДМ и СМ волнах. Наибольшее изменение дальности действия РЛС имеет место при ливневых дождях с интенсивностью 100 мм/ч.

Заключение

1. Предложен статистический метод оценки дальности действия тропосферных РЛС с учетом одновременного влияния ослабления радиоволн в гидрометеорах и молекулярного поглощения в атмосферных газах. Метод основан на расчете вероятностных распределений ослабления по усредненным данным многолетних метеоизмерений статистик содержания в атмосфере водяного пара и кислорода, а также статистик гидрометеоров.

2. С помощью этого метода получены вероятностные распределения дальности действия миллиметровых РЛС на длинах волн 8, 2; 6, 0; 3, 2; 2, 5 и 1, 42 мм с учетом годового распределения суммарного ослабления, обусловленного усредненными за много лет годовыми статистиками ослабления в дождях и туманах, поглощения в водяном паре и нерезонансного поглощения в кислороде.

3. Установлено, что при одновременном учете молекулярного поглощения и ослабления в дождях интенсивностью ~ 5 мм/ч на волнах 8, 2 и 3, 2 мм обеспечиваются дальности действия РЛС соответственно в 12 и 5 км.

4. В сильных туманах с оптической видимостью 50-100 м дальность действия РЛС относительно её значения в чистой атмосфере (17, 8 км) составляет соответственно на волне 8, 2 мм 57-70% и на волне 3, 2 мм - 30-40%. В туманах с оптической видимостью ~ 1000 м, снижение дальности действия РЛС на волнах 8, 2 и 3, 2 мм не превышает соответственно 4 и 18%.

5. Проведено сравнение дальности действия РЛС в дециметровом, сантиметровом м миллиметровом диапазонах волн на основе расчета распределений ослабления в дождях и туманах, молекулярного поглощения в водяном паре и нерезонансного поглощения в кислороде на волнах 3, 10, 30 и 100 см.

6. На длинах волн более 30 см влияние на дальность действия РЛС молекулярного поглощения, ослабления в туманах и ослабления в дождях интенсивностью до 5 мм/ч пренебрежимо мало и его можно не учитывать.

7. Уменьшение дальности действия РЛС в ливнях интенсивностью ~ 100 мм/ч относительно дальности действия в 100 км на волне 30 см не превышает 5 %.

радиолокационный тропосфера молекулярный атмосферный

Литература

1. Быстров Р.П., Потапов А.А., Соколов А.В., Федорова Л.В., Чеканов Р.Н. Проблемы распространения и применения миллиметровых радиоволн в радиолокации. // Успехи современной электроники, 1997, № 1. -с. 4-20.

2. Соколов А.В., Чеканов Р.Н. Пространственно-временная изменчивость коэффициентов поглощения водяного пара в миллиметровом диапазоне волн. // Труды 8 Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», 26-31 мая 2002 г., Красновидово, Московской обл. - с. 65-66.

3. Быстров Р.П., Соколов А.В., Чеканов Р.Н. Дальность действия миллиметровых РЛС в дождях. //Радиотехника, № 1, 2005. -с. 19-24.

4. Соколов А.В. Распространение миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере Земли. // М.: Итоги науки и техники. Серия «Радиотехника», т.5, 1974. -с. 5-109.

5. Соколов А.В., Сухонин Е.В. Ослабление миллиметровых радиоволн в толще атмосферы. // М.: Итоги науки и техники. Серия «Радиотехника», т. 20. -с. 107-204.

6. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. //М.: Сов. Радио, 1962. - 403 с.

Размещено на Allbest.ru