Радиотехника и электроника, 2023, T. 68, № 6, стр. 598-607

ВВЕДЕНИЕ

Микроволновые радиометрические исследования атмосферы основаны на измерении мощности ее собственного радиотеплового излучения. Уровень мощности зависит от физических параметров атмосферы – температуры, влажности, влагосодержания, однородности, динамической изменчивости. Такая зависимость позволяет дать необходимые оценки метеопараметров исследуемой области атмосферы по результатам микроволновых радиометрических измерений. Возможность выполнения измерений в непрерывном режиме при их дистанционном характере определяет перспективность развития и использования микроволновых радиометрических комплексов для создания систем мониторинга состояния атмосферы, что для современных условий наблюдаемых изменений климата является задачей, непосредственно связанной с обеспечением оперативного информирования и предупреждения последствий опасных погодных явлений [1–5].

Современные исследования лаборатории “Радиофизические исследования природных сред” Муромского института базируются на многолетнем опыте создания радиометеорологической аппаратуры для зондирования атмосферы [6]. За предшествующие десятилетия было создано несколько комплексов измерительной аппаратуры, разработаны и экспериментально отработаны схемотехнические решения, методики измерений.

Радиометеорологический комплекс для влажностного зондирования атмосферы с антенной диаметром 2.5 м был выполнен в транспортируемом и стационарном вариантах. Основу комплекса составляли четырехканальные радиометрические приемники модуляционного типа с длинами волн 0.8, 1.35, 1.6 и 3.2 см [7]. Для длин волн 1.35 и 1.6 см использовался один приемник с общим облучателем (входным рупором). Чувствительность радиометров по радиояркостным температурам обеспечивалась на уровне 0.5…1 К.

Стационарная система измерения ослабления радиоволн в осадках включала двухканальную трассовую установку с длинами волн 1.6 и 0.8 см. Длина трассы составляла 170 м. Оценка изменения величины затухания сигнала осуществлялась на уровне не хуже 0.05 дБ [8].

Были разработаны и прошли испытания стационарная и самолетная пассивно-активные радиолокационные системы (ПАРЛС) для служб штормооповещения и предупреждения о возможном обледенении летательных аппаратов [9]. Пассивный канал строился на основе модуляционного радиометра с флуктуационным порогом чувствительности на уровне 0.3 К при постоянной времени τ = 1 с. Дальность обнаружения активного канала в режиме ПАРЛС – 175 км. Развязка каналов обеспечивалась на уровне не менее 160 дБ. При использовании антенны диаметром 3 м метеорологический потенциал активного канала составлял 270 дБ [10], в самолетном варианте при антенне диаметром 0.76 м – 262 дБ [11].

Накопленный практический и методический опыт создания измерительной аппаратуры и проведения мониторинга состояния атмосферы обеспечили переход к новому этапу – созданию современной системы сверхкраткосрочного прогнозирования неблагоприятных и опасных метеоявлений [6, 12–16].

Целью статьи является анализ современного состояния и перспектив построения системы сверхкраткосрочного прогнозирования неблагоприятных и опасных метеоявлений, обсуждение некоторых полученных к настоящему моменту результатов.

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ, АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНЫХ МЕТЕОЯВЛЕНИЙ

В процессе реализации программы построения системы прогнозирования опасных атмосферных метеоявлений были наработаны новые методические, программные и аппаратные решения, базирующиеся на имеющихся собственных разработках, обеспечивающие решение задач по совершенствованию радиометрических СВЧ-систем, расширению их функциональных и информативных возможностей [17–20]. Эти решения, часть из которых уже воплощена в виде аппаратно-программных средств, основываются на современных подходах к компенсации помех, применению цифровых методов обработки сигналов, использованию средств и методов радиофотоники, программам обработки данных на основе нейронных сетей [21–23].

Имеющийся в лаборатории опыт создания радиометеорологических комплексов и выполнения микроволновых исследований атмосферы показал необходимость решения задачи снижения влияния фоновых излучений неоднородного окружающего пространства на результаты измерений радиотеплового излучения атмосферы. Такое влияние оказывается достаточно значимым при появлении в угловой области рассеяния диаграммы направленности антенны насыщенных влагой конвективных облаков при наблюдении в зенит безоблачной части атмосферы, а также при выполнении исследований относительно однородной атмосферы методом угловых разрезов [7, 12, 24]

Наиболее распространенным традиционным способом борьбы с влиянием фонового излучения при исследовании атмосферы в ограниченном угловом секторе является разработка антенн с пониженным уровнем бокового излучения.

Способ компенсации, разработанный и реализованный в исследованиях в Муромском институте, предусматривает формирование дополнительного сигнала на выходе антенны радиометрической СВЧ-системы, который в идеале был бы равен составляющей выходного сигнала основного измерительного антенного канала, формируемого приемом фонового излучения окружающего пространства через область рассеяния диаграммы направленности атмосферы, с получением на выходе системы разностного сигнала, пропорционального радиотепловой мощности излучения атмосферы, соответствующей угловой области главного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны [19, 20]. Была разработана схема радиометрической СВЧ-системы, реализующая такой подход к задаче компенсации влияния фонового излучения (рис. 1) [18, 20].

Рис. 1.

Схема радиометрической СВЧ-системы с компенсацией фонового излучения: А1 и А2 – основной и дополнительный антенные каналы; М – модулятор; ПУБ – приемно-усилительный блок; КД – квадратичный детектор; СД – синхронный детектор; ГОН – генератор опорного напряжения; И – измеритель-индикатор.

Следующий этап в развитии направления разработки радиометрических СВЧ-систем с компенсацией фоновых излучений связан с переходом к использованию двухмодового режима работы облучателя антенны – мод Н₁₁ и Е₀₁ круглого волновода с их разделением в модовом разделителе [25]. Сформированные ДН на этих модах отвечают требованиям к основному и дополнительному антенным каналам радиометрической СВЧ-системы с компенсацией фоновых излучений. На рис. 2а, 2б показаны расчетная и экспериментальная характеристики направленности облучателя зеркальной антенны для диапазона частот 3.2 см (диаметр раскрыва рупора 10.5 см, диаметр питающего волновода 3.2 см). Для получения экспериментальной характеристики антенны в качестве источника сигнала применен полупроводниковый генератор шума производства НПП “Исток” М31305-1.

Рис. 2.

Расчетная (а) и экспериментальная (б) характеристики направленности облучателя зеркальной антенны на модах Н₁₁ (1) и Е₀₁(2).

На основе разработанного способа снижения уровня шума антенны и двухмодовой апертурной антенны была разработана конструкция модового разделителя, который представляет собой часть общего фидера облучателя антенны, выполненный на круглом волноводе. Он обеспечивает направленное селективное ответвление сигнала основного измерительного и дополнительного антенных каналов путем введения режекторного фильтра для основной моды Н₁₁ соответствующего подключения волноводных линий [19, 25].

Экспериментальная проверка данного способа подтвердила правильность технических и методических решений и позволила перейти к многочастотным поляризационным измерениям с последовательным частотным разделением сигналов в модовом разделителе. Был разработан трехсекционный модовый разделитель для трехдиапазонной радиометрической СВЧ-системы, с приемом сигнала в диапазонах частот с центральными частотами 3.5, 11 и 22 ГГц. Конструкция модового разделителя позволила обеспечить последовательное выделение сигналов соответствующих частотных диапазонов для двух основных измерительных каналов с вертикальной и горизонтальной поляризациями и дополнительного канала, а также формирования сигнала компенсации, при выполнении измерений по одному осевому направлению [25]. На рис. 3 представлены схема и конструкция трехдиапазонного модового разделителя радиометрической СВЧ-системы с компенсацией фонового излучения.

Рис. 3.

Модовый разделитель: схема (а) и конструкция (б); А1…А3 – антенные каналы (основной и дополнительный, с вертикальной и горизонтальной поляризациией, при λ = 7.5, 3.2 и 1.35 см); МФ – модовый фильтр.

Переход к многочастотному зондированию атмосферы повышает информативность измерений, что обусловлено частотной зависимостью как мощности собственного радиотеплового излучения атмосферы, так и ослабления проходящего излучения. Это важно для решения задачи оперативного выявления опасных атмосферных явлений по результатам сравнительного анализа данных измерений в разных частотных диапазонах. Выполнение измерений при разных зенитных углах расширяет возможности их дистанционного структурного анализа.

На рис. 4 приведена схема трехдиапазонной радиометрической СВЧ-системы с формированием в каждом канале дополнительного сигнала компенсации [26].

Рис. 4.

Структурная схема трехдиапазонной радиометрической СВЧ-системы; ДО – двухмодовый облучатель; ППФ – волноводный полосно-пропускающий фильтр; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; КД – многоканальный квадратичный детектор; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; ПК – персональный компьютер для сбора, хранения и обработки данных, ОГ и ОВ – сигнал основного измерительного канала горизонтальной и вертикальной поляризации; доп – сигнал дополнительного измерительного канала.

Трехдиапазонная радиометрическая СВЧ-система с компенсацией фоновых шумов реализована в двух вариантах: мобильном (для полевых исследований) и стационарном (с антенной на здании Муромского института). Внешний вид систем представлен на рис. 5.

Рис. 5.

Трехдиапазонная радиометрическая СВЧ-система; (а) мобильный вариант: 1 – антенная колонка; 2 – антенна; 3 – радиометрическая система; 4 – поворотное устройство; 5 – метеостанция; 6 – элементы блоков управления и обработки информации; 7 – электрогенератор; (б) стационарный вариант: 1 – прямофокусное зеркало диаметром 2400 мм; 2 – многоканальный двухмодовый облучатель со снятой метеозащитой; 3 – многочастотный волноводный микроволновый калибратор; 4 – угломестный привод; 5 – азимутальный привод; (в) антенна в увеличенном масштабе: канал 7.5 см вертикальной (1) и горизонтальной поляризации (1') и дополнительный (1"); канал 3.2 см вертикальной (2) и горизонтальной поляризации (2 ') и дополнительный (2 "); канал 1.35 см горизонтальной поляризации (3).

Для решения задач регистрации и сбора данных, а также получения разностных сигналов при выполнении компенсации влияния фонового излучения в системе реализовано цифровое преобразование выходных сигналов с формированием массивов данных измерений по всем каналам в отдельности. Для этого в системе предусмотрено использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с подключением к персональному компьютеру и разработан функционально законченный интерфейс [27].

Пример записи выходных сигналов системы приведен на рис. 6. В данном случае на экран компьютера одновременно выведены временные записи выходных сигналов трех диапазонов радиометрической СВЧ-системы. Такой режим визуализации позволяет качественно оценить зависимость уровня мощности собственного излучения атмосферы при различных метеоусловиях в зависимости от частоты.

Рис. 6.

Интерфейс системы сбора и регистрации данных измерений трехдиапазонной радиометрической СВЧ-системы (скриншот).

Введение цифровых методов регистрации и обработки сигналов позволило решить следующие задачи:

– формирование архива результатов радиометрических СВЧ-измерений атмосферы с параллельным формированием массива данных метеопараметров атмосферы приземного слоя;

– получение результатов разностных измерений при выполнении компенсации влияния фоновых излучений;

– выполнение корреляционного анализа результатов многочастотных радиометрических СВЧ-измерений и метеоданных приземного слоя атмосферы в области выполнения измерений;

– решение задач повышения чувствительности системы при реализации адаптивного накопления сигнала.

2. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В течение 2019–2022 годов проводились измерения микроволнового излучения атмосферы с помощью рассмотренной радиометрической СВЧ-системы при больших зенитных углах визирования. Были получены и сохранены суточные временные записи выходных сигналов системы. Отобраны массивы данных, соответствующие дням с выпадением осадков и выполнен корреляционный анализ результатов измерений и метеопараметров приземного слоя атмосферы [28]. Полученные данные показали достаточно сильную корреляционную зависимость величины выходного сигнала с метеопараметрами приземного слоя атмосферы в пределах 200-километровой зоны вокруг линии визирования. В табл. 1 приведены значения коэффициентов корреляции выходных сигналов системы и значений метеопараметров приземного слоя атмосферы для ближайшего и наиболее удаленного города из рассмотренных от места базирования СВЧ радиометрического измерительного комплекса – Мурома и Рязани – для двух вариантов формирования выходных сигналов: без компенсации и с компенсацией фоновых шумов. Результаты показали в основном рост величины коэффициента корреляции при выполнении компенсации фоновых шумов.

Цифровой способ формирования выходных сигналов позволил реализовать обработку результатов измерений с различным временем накопления сигнала для решения задачи повышения чувствительности системы. Были выполнены расчеты с изменением времени накопления. На рис. 7 показаны временные зависимости выходных сигналов трех диапазонов для времени накопления 0.1 и 20 с [29].

Рис. 7.

Временная зависимость выходных сигналов радиометрической СВЧ-системы на частотах 3.5 (а), 10 (б) и 22 ГГц (в) при τ = 0.1 с (слева ) и 20 с (справа).

Анализ полученных результатов показал, что для канала с частотой 22 ГГц увеличение времени накопления до 20 с оказалось предельным с позиции отслеживания временных изменений сигнала, так как в определенные моменты небольшие изменения выходного сигнала слабо проявляются, что может привести к занижению отклика системы на изменение состояния атмосферы, фиксируемое в данном диапазоне. При дальнейшем увеличении $\tau $ эффекты усреднения приводят к пропуску большего количества таких резких переходов в сигнале, что в конечном итоге может привести к неправильной оценке метеорологической ситуации в условиях быстроразвивающихся атмосферных процессов.

Таким образом, была показана принципиальная возможность повышения чувствительности радиометрических СВЧ-измерений при увеличении времени накопления выходных сигналов при введении ограничений, обусловленных скоростью изменения выходного сигнала при наличии в зондируемой области быстроразвивающихся атмосферных процессов. Выполнение данной процедуры – изменения времени накопления сигнала при выявлении образования опасного атмосферного явления в исследуемой области атмосферы должно быть регулируемым системой при оценке скорости изменения выходных сигналов при введении интеллектуальной системы управления системы, например, включения нейронной сети в состав системы.

3. ЗАДАЧИ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРЫ В МУРОМСКОМ ИНСТИТУТЕ

Работы в рамках проекта Российского научного фонда позволили провести материально-техническую и методическую модернизацию комплекса, обеспечивающую решение задач повышения точности, чувствительности, информативности измерений, а также реализации непрерывного режима измерений с формированием базы результатов.

Выполненные исследования позволили определить следующие основные направления развития микроволновой радиометрии в научно-исследовательской лаборатории Муромского института:

– непрерывное зондирование атмосферы при больших зенитных углах с формированием архива результатов измерений для решения задачи оперативной оценки пространственно-структурной однородности атмосферы;

– микроволновое исследование фронтальных атмосферных процессов с формированием информационной базы и развитием системы оценки состояния атмосферы на основе введения нейронной сети.

При решении задачи снижения потерь входных сигналов в радиометрической СВЧ-системе рассмотрено постепенное введение в ее состав устройств радиофотоники [30]. На данном этапе дана оценка снижения потерь сигнала в фидере при замене коаксиальной линии передачи оптическим каналом с оптоэлектронными преобразователями. Были выполнены измерения (рис. 8), которые показали, что при длине фидера 30 м выигрыш по потерям передачи в оптическом канале по сравнению с радиочастотным трактом равен 10 дБ.

Рис. 8.

Структурная схема лабораторного стенда измерения потерь в радиочастотном (а) и радиофотонном тракте (б) промежуточной частоты и внешний вид лабораторного стенда (в).

Таким образом, задачи микроволновых радиометрических исследований атмосферы в научно-исследовательской лаборатории Муромского института состоят в следующем:

– включение радиофотоники в состав системы на уровне формирования и обработки выходных сигналов;

– введение в состав системы нейронной сети с решением задач интеллектуального управления временем накопления выходного сигнала, оперативной оценки наличия условий формирования опасных атмосферных явлений в исследуемой области атмосферы, формирования прогнозов развития структурных изменений в атмосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Направление микроволновых радиометрических исследований атмосферы в Муромском институте имеет исторические и методологические основы, базирующиеся на долговременном опыте проектных разработок и натурных измерений.

Современный этап развития направления микроволновых исследований характеризуется реализацией современных принципов приема и обработки сигналов и оригинальных подходов к усовершенствованию радиометрических СВЧ-систем, обусловленных принципом их функционирования – приема широкополосного шумового сигнала с необходимостью реализации его пространственной селекции.

Реализация в многодиапазонной радиометрической СВЧ-системе компенсации влияния фоновых шумов позволила перейти к наклонному зондированию приземного слоя атмосферы при больших углах визирования и решить аппаратные задачи дистанционного зондирования при прогнозировании опасных атмосферных явлений.

Цифровая обработка выходных сигналов радиометрической СВЧ-системы расширила возможности как повышения чувствительности системы, так и расширения вариативности алгоритмов оценки результатов измерений для решения задач прогнозирования при встраивании нейронной сети в состав системы.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.