Допплерівсько-поляриметрична радіолокаційна система для оцінки турбулентності в опадах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Допплерівсько-поляриметрична радіолокаційна система для оцінки турбулентності в опадах

Спеціальність: Радіотехнічні та телевізійні системи

Марчук Віталій Вікторович

КИЇВ, 2009 РІК

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виявлення небезпечних метеорологічних явищ за допомогою радіолокаційних засобів розпочало свою історію з 1941 року, коли 10-ти сантиметровий радіолокатор, встановлений на англійському узбережжі, виявив грозу на відстані 7 миль. Широке впровадження і постійне удосконалення методів радіолокаційного спостереження за метеорологічними явищами, в тому числі для забезпечення авіації, призвело до суттєвого покращення якості метеорологічної інформації та безпеки польотів в складних метеорологічних умовах. З самого початку застосування радіолокації для дослідження опадів і хмар існує складна проблема одержання непрямої інформації (якісної та кількісної) про характеристики об'єктів за результатами обробки відбитих радіосигналів. Розробці радіолокаційних систем для метеорологічних застосувань, обробці сигналів, відбитих від хмар і опадів, та встановленню зв'язків між параметрами відбитих сигналів і характеристиками метеорологічних об'єктів приділена величезна увага як у вітчизняній, так і в іноземній літературі. Розробка дослідницьких зразків допплерівсько-поляриметричних метеорологічних радіолокаторів (МРЛ) у Великій Британії, США, Німеччині та Нідерландах і експериментальні вимірювання, виконані протягом останніх років довели, що допплерівсько-поляриметричний підхід має незрівнянно більші потенційні можливості порівняно із «звичайними» когерентними МРЛ, наприклад, NEXRAD (WSR-88D), мережі яких зараз покривають всю територію США і багато інших країн, не говорячи уже про некогерентні МРЛ, які ще досі експлуатуються в Україні. Тому США зараз реалізують програму модернізації своїх WSR-88D з метою надання цим допплерівським МРЛ поляриметричних властивостей.

Незважаючи на розробку і впровадження новітніх технологічних засобів, інформація про метеорологічні умови в польоті отримується, як і десятки років тому, за допомогою метеонавигаційних радіолокаційних станцій (МНРЛС), кращі зразки яких за останні роки набули якостей когерентних (допплерівських) радіолокаторів. Провідні світові розробники бортової авіоніки працюють зараз в напрямку надання сучасним МНРЛС поляриметричних властивостей. Але питання реалізації потенційних можливостей допплерівсько-поляриметричних радіолокаторів не вирішені. Нещодавно нова допплерівсько-поляризаційна характеристика була запропонована у рамках спільного проекту НАУ і Делфтського технічного університету (Нідерланди), а саме спектральна диференційна відбиваність sZdr. Ця характеристика комбінує поляризаційні і допплерівські вимірювання таким чином, що у роздільному радіолокаційному об'ємі можуть бути визначені поляризаційні властивості розсіювачів, які рухаються з різними радіальними швидкостями.

На відміну від параметра, відомого як диференціальна відбиваність Zdr, нова характеристика є функцією швидкості розсіювачів (або допплерівської частоти).

Задача дослідження можливостей використання цієї характеристики для підвищення ефективності радіолокаційних систем при виявленні та вимірюванні інтенсивності небезпечних турбулентних зон безперечно є актуальною.

Створення допплерівсько-поляриметричних радіолокаційних систем для кількісної оцінки турбулентних зон є особливо важливим тому що останнім часом вимоги до вірогідності метеорологічної інформації для забезпечення авіації істотно зросли в умовах реалізації нової системи аеронавігаційного забезпечення CNS/ATM і концепції Free Flight. Крім того, з'явилася нова потужна матеріальна база, що в свою чергу призвело до активізації розробок більш складних методів обробки радіолокаційної інформації, що створює реальні передумови для забезпечення необхідного рівня вірогідності виявлення небезпечних метеорологічних явищ.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка методів оцінки допплерівсько-поляриметричних параметрів, які одночасно містять швидкісні характеристики допплерівського спектру і поляризаційні характеристики досліджуваних об'єктів для використання у радіолокаційній системі для оцінки турбулентності в опадах.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати наступні задачі:

1. Розробити математичні моделі сукупності розсіювачів у радіолокаційному об'ємі, які б найкращим чином відповідали задачам оцінки допплерівсько-поляриметричних характеристик радіолокаційних сигналів при зондуванні реального об'єкту;

2. Виконати аналіз та обробку експериментальних даних радіолокаційного зондування зони опадів;

3. Розробити комплекс програмного забезпечення для обробки даних допплерівсько-поляриметричного радіолокатора;

4. Перевірити результати математичного моделювання на експериментальних даних із застосуванням розробленого програмного комплексу;

5. Дослідити взаємозв'язок спектральної диференціальної відбиваності з існуючими радіолокаційними метеорологічними параметрами та характером об'єкта зондування;

6. Розробити рекомендації щодо практичного застосування спектральної диференціальної відбиваності.

Результати роботи впроваджені в Державному підприємстві НДІ «БУРАН» і використані при виконанні ДКР “Буран-А” з режимом виявлення турбулентності та зсуву вітру для літака АН-148, що підтверджується відповідними актами, наведеними у додатку.

Об'єктом дослідження є системи дистанційного зондування зони опадів.

Предметом дослідження є ортогональний допплерівсько-поляриметричний метод зондування та його характеристики.

Методи дослідження. Основні положення, висновки та пропозиції роботи отримані використанням апробованих методів математичного, статистичного та імітаційного моделювання, теорії обробки сигналів, математичного апарату теорії ймовірностей та математичної статистики, базуються на строгих математичних перетвореннях та наочних фізичних трактуваннях, перевірені математичним моделюванням та натурними експериментами.

У зв'язку з тим, що натурні експерименти є надто коштовними, особливо з використанням літаків, верифікація моделей та алгоритмів проводилася частково у моделювальних середовищах MATLAB™, ModelSim™ та інших, а частково на існуючих радіолокаторах. Значна частина результатів експериментів оброблена не в реальному масштабі часу, а шляхом запису сирих даних зондування радіолокатором з подальшою обробкою на персональному комп'ютері.

Апробація роботи. Основні наукові положення роботи доповідались автором та обговорювались на міжнародних конференціях: 6-та міжнародна НТК Авіа-2004, Київ, 2004, Mathematical Modeling in Electromagnetic Theory “MMET-04”, “MMET-08” Дніпропетровськ, 2004 та Одеса, 2008, Microwaves, Radar and Remote Sensing “MRRS-05”, “MRRS-08”, Київ, 2005 та 2008, International Radar Symposium “IRS-06”, “IRS-08”, Краків, Польща, 2006 та Вроцлав, Польща, 2008, Young Scientists Conference Інституту радіофізики та електроніки НАН України “YSC-06”, Харків, 2006,, International Symposium on Tropospheric Profiling “ISTP7”, Boulder, CO, USA, 2006,, European Radar Conference “EuRAD-06”, Manchester, UK, 2006, European Conference on Antennas and Propagation, Edinburgh, UK, 2007.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 18 роботах, з яких: 2 статті у реферованих фахових журналах закордоном, 2 статті - у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 13 статей у працях міжнародних конференцій (з них 6 - в Україні та 7 - закордоном), 1 - тезиси доповіді закордоном.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Дисертація обсягом 145 сторінок складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 151 найменування на 17 сторінках, додатків на 2-х сторінках.

У вступі представлено існуючу ситуацію у галузі радіолокаційних систем метеорологічного застосування, обґрунтовано актуальність теми роботи, розкрито її зв'язок з програмами удосконалення радіолокаційної техніки, мету і задачі роботи, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведені анотований опис змісту розділів, відомості про апробацію, публікації та втілення результатів.

У першому розділі дисертації розглянуті методи і засоби радіолокаційних вимірювань, типи радіолокаторів, які використовуються для дистанційного зондування атмосфери, та параметри метеорологічних об'єктів, які можуть бути виміряні за допомогою таких радіолокаторів. Особливу увагу приділено допплерівсько-поляриметричним радіолокаторам безперервного випромінювання.

Поляриметричні радари отримують додаткову інформацію про характеристики опадів, контролюючи поляризацію випромінених сигналів та прийнятої енергії. Радіолокатори з подвійною поляризацією, що працюють у лінійному ортогональному поляризаційному базисі, випромінюють радіоімпульси, які мають і горизонтальну, і вертикальну поляризації. Хоча існує багато способів змішати разом в схему передачі горизонтально поляризований та вертикально поляризований імпульси, найбільш поширений метод полягає в тому, що поляризація імпульсу змінюється з кожним наступним імпульсом. В більшості випадків метеорологічні локатори вимірюють горизонтальну відбиваність, тобто відбиту потужність горизонтально поляризованого імпульсу. Поляриметричні радари найчастіше вимірюють відбиту потужність як при горизонтальній, так і при вертикальній поляризації зондувальних імпульсів. Порівнюючи ці потужності (відношення, кореляцію), можна отримати інформацію відносно розміру, форми та інших параметрів крапель хмари. Виконана постановка задачі на дослідження допплерівсько-поляриметричних характеристик, зокрема спектральної диференціальної відбиваності sZdr з метою отримання даних про її зв'язок з параметрами турбулентності в опадах і розробки методики визначення вимірюваного параметра для використання в радіолокаційній системі для оцінки турбулентності.

У другому розділі аналітично досліджується допплерівсько-поляриметричний сигнал, відбитий від зони дощу, розроблені математичні моделі та виконані розрахунки допплерівсько-поляриметричних спектрів за різних умов. Узагальнена структура моделі зображена на рис. 1.

Рис. 1. - Загальна структура математичної моделі:

З рис. 1 можна побачити що розроблена модель дозволяє розраховувати спектри на різних поляризаціях за умов крос-поляризаційних та ко-поляризаційних умов зондування. Вхідними параметрами є: кут місця, швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності, масштаб турбулентності та декілька параметрів, що стосуються розподілу крапель за розмірами. Розроблена модель спирається на існуючі співвідношення для базової моделі турбулентності та розподілу крапель за розмірами, але вона доповнена віднайденими співвідношеннями для розподілу крапель за швидкостями, обумовленими гравітацією та впливом турбулентності. Розроблені співвідношення для визначення ефективної площі розсіювання ансамблю крапель у залежності від типу обраної поляризації форми краплини та її орієнтації в просторі. Модель також враховує інерцію крапель при захоплені їх турбулентним потоком. Приклади розрахованих допплерівських спектрів на горизонтальній та вертикальній поляризаціях наведені на рис. 2.

Рис. 2. - Допплерівські спектри на горизонтальній Shh та вертикальній Svv поляризаціях, е=5 см. кв./с3 и и=30°:

Спектральна диференціальна відбиваність являє собою відношення спектрів отриманих на горизонтальній поляризації до спектрів отриманих на вертикальній поляризації в децибелах.

В роботі розроблені всі математичні моделі, необхідні для конкретних розрахунків. Розрахунки показують монотонну залежність величини sZdr від швидкості.

Фізичне обґрунтування полягає в наступному. У ламінарному потоці без впливу турбулентності існують краплини різного розміру, причому чим більше краплина, тим більше вона приплюснута по вертикалі та швидкість її падіння є більшою. Цей факт призводить до того, що більші краплини, які швидше рухаються, дають і більший внесок у відбиваність на горизонтальній поляризації, що проявляється у залежності sZdr(v), показаній на рис. 3.

Рис. 3. - Залежність спектральної диференціальної відбиваності від турбулентності:

Було віднайдено зв'язок характеристики спектральної диференціальної відбиваності - тангенсу кута нахилу її лінійної частини до осі швидкості - з турбулентністю. Таким чином при відсутності турбулентності кут нахилу лінійної частини спектральної диференціальної відбиваності має максимальне для обраного кута нахилу антени значення.

Турбулентність додає до гравітаційної складової свій випадковий компонент, спричинений хаотичним розподілом швидкостей. В результаті спектри на горизонтальній та вертикальній поляризації стають більш подібними, і при збільшенні інтенсивності турбулентності сигнали на обох поляризаціях стають майже рівними, тобто кут нахилу sZdr(v) зменшується. Побудувавши графік залежності спектральної диференціальної відбиваності від швидкості дисипації кінетичної енергії турбулентності (міра інтенсивності турбулентності) можна побачити закономірність, що кут нахилу лінійної частини спектральної диференціальної відбиваності є мірою інтенсивності турбулентності. Чим більше турбулентність, тим більш гострий кут утворює крива з віссю абсцис. Кількісною мірою цього нахилу є тангенс кута нахилу до лінійної частини спектральної диференціальної відбиваності, який названий в роботі slope sZdr, або SLP.

Третій розділ присвячений верифікації розробленої моделі з використанням даних натурних вимірювань. Основне джерело даних - пересувний радіолокатор TARA та результати обробки експериментальних даних. В рамках програми CloudNET, розпочатої в 2001 році Європейським Союзом, технічним університетом TU-Delft (Нідерланди) був розроблений пересувний атмосферний допплерівсько-поляриметричний радіолокатор TARA. Оснований на принципах безперервного випромінювання з лінійною частотною модуляцією, TARA дозволяє змінювати в широкому діапазоні такі параметри як поляризація на передачу та приймання, роздільна здатність, чутливість, та інші. Радар розміщений на полігоні Голландського метеорологічного інституту KNMI в Кабау (Нідерланди). Згідно з договором про співпрацю між НАУ і TU-Delft, дані зондування опадів передавались для обробки в НАУ. Підтверджено прогнозовану теорією поведінку спектральної диференціальної відбиваності за різної інтенсивності турбулентності. При малих значеннях швидкості дисипації кінетичної енергії турбулентності SLP має максимальне значення. При збільшенні інтенсивності турбулентності існує від'ємна експоненціальна залежність між е та SLP. Така поведінка спостерігається до збільшення інтенсивності турбулентності до деякої кінцевої величини, значення якої залежить від обраного кута нахилу антени та параметрів дощу. Подальше підвищення е не приводить до зміни SLP, який лишається на сталому рівні. Чим більше кут нахилу антени, тим швидше спостерігається перехід SLP від максимального значення до сталого рівня за однакових значень е.

У четвертому розділі розглянуто прототип допплерівсько-поляриметричної радіолокаційної станції з ортогональними поляризаціями та досліджено можливість використання спектральної диференційної відбиваності у практичних розробках. Як можна побачити з рис. 4, система складається з трьох основних вузлів: персонального комп'ютера, мікроконтролера, USB та ПЛІС.

Рис. 4. - Структурна схема для тестування цифрового обробника радіолокатора:

Комп'ютер виконує роль приймача радіолокатора наступним чином. Він вичитує експериментальні дані реального зондування атмосфери з полігону Кабау, проводить маркування даних (номер реалізації, тип поляризації та інше) та додає інформацію перевірки цілісності даних при пересилці. Після цього він відсилає за допомогою USB інтерфейсу радіолокаційну інформацію мікроконтролеру CY7C68013A FX2 (у ПЛІС також використовується мікроконтролер з ядром “Microblaze”, тому, щоб запобігти плутанини, перший будемо називати просто FX2, а другий - ПЛІС-МК). Цей мікроконтролер являє собою 8-ми-бітне ядро 8051 з набором периферійних пристроїв (SPI, UART, I2C та інші), портами загального вводу/виводу, спеціалізованим паралельним інтерфейсом і фізичним інтерфейсом USB з буфером на 4 Кб. Він був обраний тому, що це досить широко розповсюджена архітектура та конструктивно контролер побудований таким чином, що пересилка даних між USB та паралельним інтерфейсом відбувається без участі ядра, звільнюючи ресурси останнього для різних периферійних задач. Інший плюс такої архітектури - досить велика швидкість передачі даних: до 56 Мбіт/сек. У зв'язку з тим, що потрібно обробляти 2 поляризації, буфер був поділений на 3 частини по 1 Кб для кожної з поляризацій, що сконфігуровані на передачу, та 2 Кб для приймання обробленої інформації.

По заповнені буферу дані відсилаються автоматично. Третьою і найбільш важливою складовою цієї системи є ПЛІС Spartan 3E. Цей тип ПЛІС складається з логічних блоків, що конфігуруються та блоків вводу/виводу. На ПЛІС цього типу можуть бути реалізовані цифрові пристрої будь-якої складності від простого автомату до мультипроцесорних систем. Для нашої задачі розрахунку спектральної диференціальної відбиваності побудовано наступну систему. Автомат загального вводу/виводу відповідає за отримання інформації від FX2, розділення її відповідно до поляризації на 2 тракти та запису у двох-портовий ОЗП.

Він також пересилає обчислені метеорологічні параметри назад для візуалізації даних. Результати дослідження можуть бути використані перш за все для покращення параметрів оцінки турбулентності в дощі.

Це дуже важливо, особливо на таких етапах польоту як зліт та посадка за дощових умов. Програмний комплекс та математична модель дозволяють проводити подальше дослідження нових допплерівсько-поляриметричних параметрів, вплив різних метеорологічних та радіолокаційних факторів на формування сигналу відбитого від метеорологічного утворення. Розроблений апаратно-програмний комплекс із застосуванням ПЛІС, мікроконтролерів та комп'ютера дозволяє проводити моделювання у псевдо-реальному масштабі часу та проводити ефективну доводку алгоритмів обробки даних без використання дорогих натурних експериментів.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено радіолокаційну систему з ортогональними поляризаціями, функціональні модулі (цифрової обробки даних, виділення допплерівської частоти, розрахунку спектрів та метеорологічних параметрів), які дозволять розраховувати нову характеристику - спектральну диференціальну відбиваність. Застосування таких МНРЛС підвищить рівень інформаційного забезпечення екіпажів в складних метеорологічних умовах особливо на етапах злету та посадки ПС;

2. Допплерівсько-поляриметрична радіолокаційна система відповідає першому напрямку розвитку CNS/ATM - впровадження останніх досягнень мікроелектроніки, нових алгоритмів, обчислювальної техніки й нових матеріалів, що дозволяють поліпшити характеристики й можливості бортового й наземного встаткування CNS/ATC/ATM, тому що має покращені можливості виявлення турбулентності;

3. Досліджена нова характеристика - спектральна диференціальна відбиваність sZdr, яка завдяки допплерівсько-поляриметричній природі може використовуватись як додаткове джерело інформації при визначенні ступеня небезпеки метеорологічних явищ;

4. Показано, що найбільш доцільним є застосування параметру SLP спектральної диференціальної відбиваності, що є тангенсом кута нахилу лінійної частини, як додатку до ширини допплерівського спектру та/або інших параметрів при виявленні турбулентності;

5. Розроблена математична модель сигналу, відбитого від зони опадів, що враховує інерцію краплин, їх орієнтацію у просторі, турбулентність та швидкість сталого падіння, дозволяє вивчати розсіяння крапель у турбулентній атмосфері. Модель була перевірена експериментально, результати моделі та експерименту мають досить високий ступінь кореляції;

6. За допомогою моделі та експериментальних даних підтверджено взаємозв'язок між параметром SLP.

Отримані результати є важливими для розробки нових радіотехнічних систем дистанційного зондування метеорологічних об'єктів та підвищення ефективності їх застосування в задачах забезпечення безпеки польотів авіації, метеорології, кліматології, гідрології тощо.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марчук В.В. Доплеровско-поляриметрические параметры турбулентности в зоне осадков / В.В. Марчук, Ф.И. Яновский // Радиофизика и электроника. - 2006. - 11, №2. - С. 229-233.

2. Marchuk V.V. Analysis of Interconnection between Doppler-Polarimetric Parameter and Turbulence Intensity in Precipitation Zone / V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky. // Telecommunications and Radio Engineering.. - 2007. - Volume 66, Issue 10, - P. 863-870.

3. Marchuk V.V. Microwave scattering from particles in turbulent atmosphere and its application for hydrometeor type recognition and turbulence detection / F.J. Yanovsky, V.V. Marchuk, Ya.P. Ostrovsky, A.A. Pitertsev, S.H. Khraisat, L.P. Ligthart. // Вісник Інженерної академії України. - 2007. - №3-4. - С. 16-23.

4. Marchuk V.V. The Doppler-Polarimetric Parameters of Turbulence in Precipitation Zone / V. V. Marchuk, F. J. Yanovsky //Telecommunications and Radio Engineering. - 2007. - Volume 66, Issue 5, - P. 441-451.

5. Марчук В.В. Методика обробки даних допплерівсько-поляриметричного радіолокатора / І.В. Мазура, В.В. Марчук, Я.П. Островський, Ф.Й. Яновський. // Аерокосмічні системи моніторингу та керування (“Авіа'2004”): 6-та міжнародна науково-технічна конференція, 2004: Матеріали. - Київ (Україна), 2004. - Т. 2, - С. 21.78-21.81.

6. Marchuk V.V. Backscattering from Rain. Mathematical Models / Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky // Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (“MMET'2004”), 10th international conf., Sept. 14-17, 2004: Proceedings. - Dnipropetrovs'k (Ukraine), 2004. - P. 168-170.

7. Marchuk V.V. Backscattering from Rain. Data processing / V.V. Marchuk, I.V. Mazura, Y.P. Ostrovsky, F.J. Yanovsky // Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (“MMET'2004”), 10th international conf., Sept. 14-17, 2004: proceedings. - Dnipropetrovs'k (Ukraine), 2004. - P. 171-173.

8. Marchuk V.V. Analysis of Interconnection between Doppler-Polarimetric Parameter and Turbulence Intensity in Precipitation Zone / V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky // International Workshop on Microwaves, Radar and Remote Sensing(“MRRS'2005”), Sept.19-21, 2005: Proceedings. - Kiev (Ukraine), 2005. - P. 159-164. радіолокаційний інформаційний цифровий

9. Marchuk V.V. Methods of Turbulence Detection by Analyzing Precipitation Behaviour / V.V. Marchuk, Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, F.J. Yanovsky // IEEE Int. Radar Symposium (“IRS'2006”), 2006: Proceedings. - Krakow(Poland), 2006. - P. 161-164.

10. Marchuk V.V. Identification of the Dangerous Meteorological Objects on Doppler-Polarimetric Radar Data Using the Neural Network Based Algorithm / A.A. Pitertsev, V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky // IEEE Int. Radar Symposium (“IRS'2006”), 2006: Proceedings. - Krakow (Poland), 2006. - P. 225-228.

11. Marchuk V.V. Neural Network Identification Algorithm for Weather Radar / F.J. Yanovsky, A.A. Pitertsev, Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, V.V. Marchuk // Int. Symposium on Tropospheric Profiling (“ISTP7”), June 11-17, 2006: CD-ROM. - Boulder, Co (USA), 2006. - P. 1-9.

12. Marchuk V.V. Neural Network Identification Algorithm for Weather Radar / F.J. Yanovsky, A.A Pitertsev, Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, V.V. Marchuk // Int. Symposium on Tropospheric Profiling (“ISTP7”), June 11-17, 2006: extended abstracts. - Boulder, Co (USA), 2006. - Paper 6.2, - P. 1-3.

Размещено на Allbest.ru