Лекция №4

Радиометоды для определения скорости и направления ветра.

Шаропилотный метод имеет ряд недостатков:

1) невозможность использование этого метода в пасмурную погоду;

2) ограничение по высоте (5-7 км);

3) ошибки при использовании однопунктных наблюдений из-за непостоянства вертикальной скорости.

Поэтому, на смену оптическим методам пришли радиометоды. Эти методы используют радиопеленгацию, активную и пассивную радиолокацию, доплеровский РЛС, лидарные методы и спутниковые навигационные системы радиозондирования. В отличие от шаропилотного метода, наряду с определением вертикального и горизонтального углов, с помощью радиометодов определяется третья координата – наклонная дальность: α, β, D.

(рис.1)

Горизонтальная проекция шара S₁ позволяет определить среднюю скорость и направление ветра в слоях атмосферы, через которую проходит цель.

(рис.2)

S_R, S_τ – тангенциальная и радиальная составляющие.

(из ΔOA₁B₁)

Ориентация вектора S:

S_R и S_τ > 0, то

S_R и S_τ < 0, то

S_R <0 и S_τ > 0, то

S_R >0 и S_τ < 0, то

;

;

Обработку данных можно проводить графическим и аналитическим методами. При графической обработке данных радиопилота используется планшет А-30Д. По измеренным значениям наклонных дальностей и вертикального угла определяется высота подъема радиопилота: .

Однако, при больших удалениях (больше 20 км по дальности) необходимо учитывать искривление радиолуча за счет рефракции.

(рис.3)

- поправка на рефракцию и кривизну Земли.

Для реальной атмосферы определяется реальный коэффициент рефракции или используются данные стандартной атмосферы: км.

;

.

При графической обработке, когда используется круг А-30Д, на котором определяется горизонтальное удаление, это горизонтальное удаление S₁, S₂ определяется по формуле .

Разница планшетов А-30и А-30Д заключается в том, что вместо семейства кривых горизонтального удаления в планшете А-30, которое определяется по формуле , мы имеем семейство кривых на А-30Д.

Шкалы вертикального и горизонтального углов в А-30Д планшете представлены в градусах и делениях угломера. Деление угломера – это угловая величина, которая применяется в артиллерии, определяется следующим образом: , и тогда одно малое деление угломера будет равно 3,6`. Одно большое деление угломера содержит 100 малых делений, т.е. 60 д. у, 45 д. у, 30 д. у, 15 д.у.

Обработка радиоветровых наблюдений графическим методом аналогична обработки однопунктных шаропилотных наблюдений. Для получения информации об угловых координатах цели при радиоветровых наблюдениях используются метод радиопеленгации, радиолокации, и навигационный методы.

- Метод радиопеленгования (метод пассивной радиолокации):

заключается в том, что пеленгуемый объект имеет маломощный передатчик, работающий в режиме направленного излучения. Пеленгатор имеет чувствительный приемник и вращающуюся антенну по α и β, с узкой диаграммой направленности.

При точном наведении на цель принимается максимальный сигнал от передатчика. Это позволяет определить азимут (β) и угол места (α) цели. Наклонную дальность таким методом определить невозможно.

Такие станции называются радиопеленгаторами или радиотеодолиты. Они наиболее просты по конструкции и широко используются в настоящее время. Обычно радиотеодолит пеленгует радиозонд и по данным датчика давления рассчитывается третья координата H, а далее производиться обработка ветровых данных по методике однопунктных шаропилотных наблюдений. При этом высота нашего радиопилота: , где H₀ и H – высоты верхней и нижней границы слоя, P_H и P_Ho – давление на высоте H₀ и H, g₀ – стандартное ускорение силы тяжести, - средняя виртуальная температура слоя (H₀ – H), R (=287) – газовая постоянная

Радиопеленгационный метод для измерения параметров ветра имеет ограниченные возможности (до 70-80 км по дальности) из-за недостаточной точности измерения угла места, и азимута при малых значениях угла места.

- Метод радиолокации (подразделяется на 3 метода):

1) метод активной радиолокации – для реализации используется радиолокационная станция, имеющая систему определения координат α, β, D. Имеется передатчик и приемник. Передатчик посылает короткие импульсы, длительность τ≈1 μкс в заданном направлении. Электромагнитная волна отражается от цели. Цель представляет собой специальный уголковый отражатель, покрытый металлизированной фольгой. Отражателем может быть облако мелких металлических иголочек, которое выбрасывается на заданной высоте. Часть электромагнитной энергии, посланной передатчиком, возвращается приемнику.

По времени запаздывания отраженного сигнала по отношению к посланному, определяется наклонная дальность D. Чтобы ответный сигнал был заметен на фоне собственных шумов приемника, он должен отличаться от него амплитудой, частотой или фазой. По амплитуде, частоте или фазе отраженного сигнала можно судить об ориентации цели в пространстве, т.е. определяются координаты цели: α, β, D.

2) метод активной радиолокации с активным ответом – для реализации используется радиолокационная станция. Пеленгуемый объект (цель) – это шар-зонд, имеющий радиопередатчик, который вырабатывает ответный сигнал в момент прихода запросного сигнала от радиолокационной станции. Радиолокационная станция определяет угловые координаты и наклонную дальность. Такой метод получил название – вторичной радиолокации. Большая часть современных радиозондов имеют передатчик – ответчик. Использование передатчиков – ответчиков позволило увеличить дальность сопровождения до 300 км.

3) метод активной радиолокации с использованием эффекта Доплера – с помощью этого метода измеряется скорость движущихся рассеивателей в облаке (крупные капли и т.д.).

Смысл доплеровского эффекта заключается в изменении частоты излученного и отраженного объектом электромагнитного колебания при движении объекта (цели) относительно неподвижного наблюдателя. Таким образом, можем определить относительную и абсолютную скорость движения рассеивателя. По изменению ширины спектра, излученного и принимаемого сигнала, можно судить о характеристиках турбулентности в исследуемых слоях.

- Разностно-дальномерный метод определения ветра:

При реализации этого метода используется навигационная наземная станция или спутниковая радионавигационная система (СРНС).

Эти системы используют сигналы радионавигационных станций, установленных на спутниках или на Земле для определения координат цели и скорости перемещения цели. Для решения аэрологической задачи приемник сигналов СРНС устанавливается на радиозонде. Структурная схема радиозонда содержит приемник для приема навигационных сигналов, которые транслируются на базовые станции с помощью передатчика радиозонда. На базовой станции осуществляется прием сигналов от спутниковых и наземных НС. Сопоставление этих сигналов позволяет реализоваться дифференциальный метод определения координат цели. В частности, у финского радиозонда для определения координат используется спутниковая радионавигационная система GPS.

Все перечисленные радиометоды позволяют определить скорость и направление ветра в свободной атмосфере. При радиолокационных наблюдениях используется область радиотехники, занимающаяся обнаружением и исследованием объектов с помощью радиотехнических средств, где используется отраженный (полуизлученный) объектами высокочастотный сигнал, а также могут быть использованы сигналы собственного радиоизлучения объекта. В зависимости от процесса формирования радиолокационных сигналов различают следующие способы радиолокационных наблюдений: (продолжение Лекция№5).