Language
Country/Area
No result found
Супервозможности радара миллиметрового диапазона: как он улавливает секреты мелких капель воды и сильного дождя?
Радар миллиметрового диапазона, также известный как облачный радар, разработан специально для мониторинга облаков и работает в диапазоне частот от 24 до 110 ГГц. Такая особая частота делает длину волны радара миллиметрового диапазона равной примерно 1 мм - 1,11 см, что примерно в десять раз короче, чем у традиционных радаров S-диапазона, таких как NEXRAD. Основная цель этой технологии — изучение природы облаков и их эволюции.
Эти радиолокационные системы обычно работают в Ka-диапазоне на частоте 35 ГГц и W-диапазоне на частоте 94 ГГц, которые имеют самую высокую эффективность при передаче сигналов через атмосферу.
Радар миллиметрового диапазона имеет очень высокое разрешение по времени и расстоянию. Временное разрешение обычно регулируется и составляет от 1 до 10 секунд, а разрешение по дальности зависит от конструкции и назначения радара. Как правило, максимальная дальность обнаружения облачного радара может достигать 14–20 километров, а его разрешение по доплеровской скорости составляет несколько сантиметров в секунду.
Облачные радары в основном представляют собой поляриметрические системы, что позволяет им измерять неоднородности частиц с помощью линейного коэффициента деполяризации (LDR). Радары обычно направлены прямо вверх в зенит, но по мере совершенствования технологий многие радары оснащаются дополнительными сканирующими устройствами, которые позволяют радару сканировать под разными углами на более высоких скоростях, тем самым получая дополнительную информацию, такую как вертикальные профили ветра и информацию об объеме воздуха.
Длинноволновые радары меньше затухают при обнаружении мелких капель дождя и осадков, тогда как коротковолновые радары более чувствительны к более мелким частицам, что означает, что выбор правильного радара особенно важен в различных погодных условиях.
В настоящее время миллиметровый радар широко используется во многих областях, включая обнаружение границ облаков (например, нижней и верхней границы облаков) и оценку микрофизических характеристик облаков (например, размера частиц и содержания массы). Эти данные помогают понять, как облака отражают, поглощают и преобразуют лучистую энергию, проходящую через атмосферу. Радар также широко применяется при изучении тумана и уже более 40 лет применяется в энтомологических исследованиях, особенно для обнаружения целей, которые в теплые ясные дни представляют собой почти исключительно насекомых. Кроме того, недавно было обнаружено, что радар миллиметрового диапазона можно использовать для изучения гигантских аэрозолей.
Рабочая среда облачного радара не ограничивается землей, она может также находиться в воздухе или космосе. Примерами бортовых систем являются радары, установленные на высотном исследовательском самолете HALO (High Altitude Long Range Research Aircraft) и исследовательском самолете KingAir в Вайоминге. Радар для профилирования облаков в космосе работает с 2006 года на спутнике CloudSAT. Миссия Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE), запуск которой запланирован на март 2023 года, будет оснащена первым космическим радаром для профилирования облаков с доплеровскими возможностями.
Измерение с помощью радара: от IQ до спектра
Импульсные радиолокационные системы считаются активными измерительными приборами, поскольку они передают электромагнитные волны в атмосферу и принимают отраженные сигналы. Радар состоит из различных аппаратных компонентов, каждый из которых содержит различные элементы. Электромагнитные волны, генерируемые генератором в передающем блоке, передаются на антенну через волновод, которая излучает их в атмосферу.
После того, как каждый переданный импульс рассеивается объемом воздуха, содержащим водяной пар, возвращающийся сигнал собирается антенной радара и оцифровывается после фильтрации, улучшения и понижающего преобразования.
Хотя передача каждого обратного сигнала меняется со временем, электрическое поле, отраженное в сигнале, получается в результате смешивания большого количества водяного пара. Таким образом, принимаемый сигнал состоит из эхо-сигналов от множества частиц водяного пара, и эти эхо-сигналы невозможно проанализировать по отдельности. Таким образом, путем дискретизации сигнала мы можем определить расстояние распространения волны с определенной задержкой по времени, чтобы сосредоточиться на разнообразии эхо-сигналов.
Кроме того, при выполнении доплеровской обработки радара спектр, полученный из отраженного сигнала, автоматически формируется путем расчета сигнала I/Q, что позволяет измерить доплеровскую частоту эха. Это помогает ученым оценить диапазон скоростей различных частиц в объеме образца.
Характеристики доплеровской спектроскопии
В объеме выборки радара обычно находится несколько рассеивающих целей. Каждая цель имеет свой собственный определенный частотный сдвиг, что позволяет нам анализировать доплеровский спектр путем измерения отраженной мощности. Отражательная способность может быть рассчитана по спектру. Интегрируя спектр, мы можем получить соответствующие метеорологические данные и вывести изменения погоды.
Первый момент спектра представляет собой среднюю доплеровскую скорость, отражающую радиальную скорость во всем объеме образца, тогда как второй момент указывает на доплеровскую ширину, показывающую степень изменчивости в обнаруженном диапазоне скоростей.
На что следует обратить внимание среди множества параметров?
Ширина, асимметрия и пиковость допплеровского спектра являются ключевыми параметрами для описания допплеровского спектра. Изучение этих параметров помогает выявить микрофизические и динамические изменения в структуре облаков, что имеет решающее значение для прогнозирования изменений погоды. Кроме того, поляриметрические измерения радара позволяют глубже понять механизм образования осадков и последствия изменения климата.
С развитием технологий сфера применения радаров миллиметрового диапазона становится все более обширной, но можем ли мы в этом бесконечном исследовании полностью постичь и понять физические принципы, лежащие в основе этих технологий?
