Тема: Разработка и исследование устройства первичной обработки информации метеорадиолокатора

В настоящее время метеорадиолокаторы широко используются в морских, авиационных и наземных системах для своевременного получения информации о погодных условиях. Такие РЛС (радиолокационные системы) применяются для определения координат выпадения осадков, их типа и направления движения.
Первые метеорологические наблюдения с помощью радиолокаторов были проведены в годы Второй мировой войны. Первые метеорологические локаторы были однопараметрическими и проводили измерения только одного параметра облаков и осадков - радиолокационной отражаемости. Тем не менее, появилась возможность оценивать местоположение и внутреннюю структуру зон мощной облачности и осадков, их высоту, тенденцию развития.
В этот период в МРЛ использовались аналоговые приемные устройства, наблюдения проводились ручным способом, а для отображения информации использовались индикаторы кругового обзора на лучевых трубках. К данному поколению радиолокаторов относились советские метеорадиолокаторы МРЛ-1, МРЛ-2.
В 70-е годы в СССР был разработан двухволновой (длина волны 3- и 10-см) радиолокатор МРЛ-5, который широко использовался не только в прогностической практике, но и в исследованиях измерения осадков двухволновым методом, и работах по градозащите при проведении активных воздействий с использованием двухволнового метода обнаружения града.
В конце 70-х годов прошлого века для управления радиолокатором и обработки полученной информации стали использоваться ЭВМ, радиолокационные наблюдения постепенно начали автоматизироваться. С 90-х гг. прошлого века ручную обработку результатов радиолокационных наблюдений сменили автоматизированные системы, которые сами запускают радиолокатор для наблюдений, получают и обрабатывают их результаты и представляют пользователю отчет в виде карты метеоявлений с выделением контуров опасных явлений. В России автоматизация МРЛ-5 производится с помощью двухпрограммных комплексов: АКСОПРИ (автоматизированный комплекс сбора, обработки и представления радиолокационной информации), разработчиком которого является Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО), и АМРК (автоматизированный метеорологический радиолокационный комплекс) «Метеоячейка», разработанный Институтом радарной метеорологии (ИРАМ). Автоматизация работы ДМРЛ-С производится посредством программного комплекса ГИМЕТ-2010 (ЦАО).Наряду с автоматизацией радиолокационных метеорологических наблюдений, происходил также переходна использование в конструкции МРЛ твердотельных модуляторов, цифровых приемников и когерентной обработки сигналов.
Интенсивные разработки устройств сверхширокополосной радиоэлектроники велись с середины 1970-х годов, однако их практическая реализация стала возможной только после достижения соответствующего уровня технологии генерации мощных сверхкоротких импульсов с практически неограниченным ресурсом, с высокой стабильностью и большой частотой повторения (лавинно-пролетные транзисторы, диоды с накоплением заряда) и технологии скоростной цифровой обработки больших массивов информации (ОЗУ, ПЛИС, высокоскоростные АЦП)
Современные метеорологические радиолокаторы решают следующие важные задачи:
- идентификация и оценка интенсивности метеорологических явлений, связанных с облачностью и осадками, информационное обеспечение сверхкраткосрочного прогноза погоды;
- обеспечение радиолокационной информацией численных моделей прогноза погоды для их инициализации и верификации.
Традиционно, в радиометеорологии используются три частотных диапазона длин волн: X (3,2 см), С (5,3 см) и S (10 см).Диапазон S используется в условиях
интенсивных осадков, т.к. он наименее подвержен ослаблению в осадках, однако, для обеспечения ширины луча 1° приходится использовать антенны диаметром 9 м. Диапазон X почти не используется для оперативных наблюдений, так как испытывает сильное (примерно в 100 раз по сравнению с S-диапазоном) затухание в осадках, но позволяет использовать относительно малые антенны – 2 м для формирования луча шириной 1°.
В России диапазон 3,2 см традиционно широко используется в метеорадиолокаторах серии МРЛ. В МРЛ-5 с антенной диаметром 4,5 м использование для зондирования излучения X-диапазона обеспечивает ширину луча 0,5° что особенно эффективно в зимних условиях с низкой облачностью.
Частотный диапазон С (длина волны 5,3 см) является разумным компромиссом в радиометеорологии между размерами антенны и ослаблением в осадках. В радиолокаторе ДМРЛ-С антенна диаметром 4,3 м обеспечивает ширину луча 0,95°.
Рассмотрим одну из основных величин в метеорадиолокации – радиолокационную отражаемость7а, которая рассчитывается по формуле (1):
т2 — 12
т^+2 (1)
I ,и 1
где а, - радиус частицы,
т^- показатель преломления вещества частицы.
«Как следует из формулы, отражаемость Z определяется концентрацией и распределением частиц по размерам в единичном объеме и их комплексным показателем преломления в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн.
Величина Zхарактеризует рассеивающие свойства облаков и осадков в диапазоне радиоволн. Если в объеме воздуха находятся только частицы воды (или льда), радиолокационная отражаемость определяется как произведение индекса преломления воды или льда на сумму всех возведенных в шестую степень величин радиусов частиц, заключенных в единице объема. Если величина 
2авыражается через диаметр частиц, то она обозначается 2и описывается
формулой (2):
Величина 2измеряется в см3, т.е.см6/см3. В связи с тем, что диапазон отражаемости 2 в реальных облаках очень велик (от 10-5до 105мм6/м3), для удобства записи используют логарифмы или децилогарифмы (1д2или101д2). Например, 2 = 103,5мм6/м3записывают как 1д2 = 3,5»[1].
При высоте Н> Нтроп+ 3 км и более, и 1д2 = 3,5^4,0 можно прогнозировать смерч. При высоте Н> 10 км, и скорости Ур>10 км/ч прогнозируется шквал. Град прогнозируется в следующих случаях: а) 1д2>2,8, Н> Н0°с+1,4;
б) 1д2>4,0;
в) Н>10 км, 1д22 >2,8.
Чтобы оценить вероятность грозы, используется критерий У = Н4д2 Если У> Укр= Н-22^ • 1д2з,то вероятность грозы минимальна. Если У> Укр+14, то вероятность равна 90 %. При У> Укр+ 6, вероятность грозы 70-90 %, а при У> Укр, вероятность менее 70 %.
Таким образом, с помощью метеорадиолокатора можно своевременно обнаруживать облака, осадки, предсказывать неблагоприятные погодные условия. Это особенно важно в морских условиях, когда от погоды зависит курс движения и безопасность передвижения подвижных платформ.

Купить

В ходе выполнения дипломной работы проведено сравнение характеристик основных отечественных метеолокаторов, описание конструкции и характеристик разрабатываемого МРЛ.
Основным управляющим устройством в метеолокаторе является плата устройства первичной обработки информации. В работе приведена структурная схема, описание блоков и компонентов устройства первичной обработки информации для разрабатываемого МРЛ. УПОИ состоит из следующих блоков: - управление приемником;
- управление передатчиком;
- управление шаговыми двигателями;
- управление приводом антенны (датчики);
- датчик температуры;
- передача метеоинформации;
- навигационная информация.
Также проведено моделирование цифрового приемника в MATLAB (Simulink), получена модель огибающей АМ-сигнала. При цифровой обработке на видеочастоте упрощается демодуляция АМ-сигнала, а также компенсируется влияние нестабильности частоты.
В ходе работы рассмотрен принцип цифровой автоподстройки частоты гетеродина приемника. Основным элементом следящей системы ЦАПЧ является частотный дискриминатор, характеристики которого влияют на точность и время установки заданной частоты гетеродина. В ходе моделирования было доказано, что наилучшим вариантом для обеспечения требуемых параметров является автокорреляционный частотный дискриминатор (АЧД), который способен обеспечить высокую точность и быстродействие определения частоты в широком диапазоне частот.

Купить