Проектът на Електрон Консорциум АД "Изследване и усъвършенстване на съществуващите и разработване на нови дистанционни методи и технологии за калибриране и ориентиране на метеорологични радари" № на договор за безвъзмездна финансова помощ BG161PO003-1.1.-6-0075 - C0001 се изпълнява с финансовата подкрепа на оперативна програма "Развитие на конкурентноспособността на българската икономика" 2007-2013

Актуалност и значимост на научно-изследователския проблем

В метеорологичната радиолокация особено място по важност заема правилното ориентиране и калибриране на радиолокационните станции. От това зависи в най-голяма степен правилната оценка на метеорологичните обекти, количеството и типа на валежите, скоростта на вятъра, както и точното целеуказване на значими метеорологични явления – торнадо, град, опасни завихряния и вертикални потоци. Тази проблематика не е нова, но в светлината на климатичните промени по света, както и новите приложения на метеорологичната радиолокация за активно въздействие – антиградова защита, т.н. модифициране на времето, изваляване и други, тя става все по-актуална и изисква все по-интензивни научни и развойни усилия за постигане на необходимите точностни параметри.

Пример за значимостта на калибрирането и ориентирането на метеорологичните радари и мрежа от радари са непрекъснатите усилия за подобряване на резултатите в различни водещи страни по света. Така например NORDRAD - радиолокационната мрежа на скандинавските страни в средата на 90-те години е имала разброс от около 10dBz, преди да бъдат предприети съвместни измервания и корекции. В резултат на двегодишен проект 1996-1998, наречен NORDRAD continuation project, са установени основните източници на грешки и те са намалени чувствително. През 1998г е започнат нов проект за по-добро калибриране, наречен NORDRAD QA-project, който да осигури качествено събиране на данни. В резултат през 2002 година е постигнат резултат ±2 dBZ за мрежата на скандинавските страни. В другите радиолокационни мрежи, като САЩ- NEXRAD положението е също в тези граници. У нас за съжаление мащабни усилия в това направление не са правени и настоящето предложение е опит да се стартира подобен процес. Както се вижда от направения кратък анализ и в САЩ и в Европа се отдава голямо значение на точното ориентиране и калибриране на метеорологичните радари, но все още липсва достатъчно унивесална методология и технологични средства, която да задоволяват изискванията и за точност и за мобилност и удобство в прилагането.

Етап1 – Проучване на съвременното ниво

В рамките на етапа ще извършим проучване на съвременното ниво в научната тематика на проекта, ще проведем научни изследвания относно подходящи източници на базисно калибриране и ориентиране на радарите, моделиране и експериментални измервания, чиито резултати да доведат до създаването на качествено нови технически и технологични средства и методика за ориентиране и калибриране, служещи, както за базисна проверка и корекция в калибриране и ориентиране, така и за периодична проверка и корекция на ориентировката и калибровката на РЛС.

Сърцевината на научноизследователският ни проект е подобряване на съществуващите методи и създаване на комплекс от нови активни и пасивни методи за ориентиране и калибриране на радари и мрежа от радари, които да позволят качествено ново ниво в тази важна за метеорологията област.

Етап 2 – Теоретично моделиране, създаване на експериментална опитна постановка и изследване на методи за ориентиране и калибриране с помощта на недетерминирани и детерминирани източници на излъчване

Перспективни за доразвиване и подобряване методи за ориентиране и калибриране са според нас използването на слънцето, като недетерминиран източник на излъчване в радиочестотния спектър. Ще изследваме потенциалните възможности за ползване на този източник в двата крайни за метеорологични те радари обхвата – 3см и 10см. За целта теоретично ще моделираме вероятностните характеристики на приетите сигнали в двата диапазона. На базата на създадените теоретични модели ще изведем потенциалните точностни характеристики на ориентирането и калибрирането. Ще оценим също теоретичните възможности за измерване на усилването на антенната система на приемане в различни азимутални и по височина направления на работа на РЛС.

Друго много важно направление на изследване ще бъде изследване на потенциалните и реалните точностни характеристики на детерминиран, външен за радарите източник на сигнали за ориентиране и калибриране. Ще изследваме потенциалните възможности за ползване на този източник в двата крайни за метеорологичните радари обхвата – 3см и 10см. За целта теоретично ще моделираме вероятностните характеристики на приетите сигнали от външен детерминиран източник на фона на собствения шум на приемника в двата диапазона и на базата на теоретичните модели ще изведем потенциалните точностни характеристики на ориентирането и калибрирането.

Ще бъде направен също теоретичен разчет и синтез на антенните системи, СВЧ подсистемите и приемно-предавателните подсистеми на такъв детерминиран източник. В среда на програмни продукти за моделиране на радиочестотни системи ще извършим моделиране на активен източник на радарни сигнали с библиотечни елементи- максимално близки по характеристики до практическите модели.

На този етап ще създадем експериментална опитна постановка, включваща детерминиран източник на излъчване с приемно-предавателна и антенна системи в интересните за метеорологичната радиолокация 3см и 10см диапазони, както и цифрова обработка на сигналите. Експерименталната апаратура ще бъде съставена от компоненти на сложни системи и подсистеми, необходими за нашите индустриални научни изследвания, включително с използване на модерните технологии на дискретизиране на сигналите на междинна или носеща радиочестота, свръхдискретизация, цифрова филтрация и цифрова доплерова обработка. За нуждите на научния експеримент предвиждаме да осигурим запис и последваща обработка и анализ на реални радарни сигнали, съдържащи полезна информация за оценка на методите за дистанционно калибриране и ориентиране – основна цел на научно-изследователската разработка. Предвиждаме експерименталната апаратура да бъде измерена и калибрирана по мощност в безехова камера.

Етап3 Експериментални измервания и записи на радарни сигнали от детерминирани и недетерминирани източници на излъчване в 3см и 10см диапазони. Обработка, анализ и оценка на получените резултати за нуждите на калибрирането и ориентирането.

На този етап от изпълнението на задачата ще извършим практически измервания на характеристиките на приетите сигнали от детерминиран източник. За целта ще използваме детерминиран външен източник на радиолокационен сигнал с два режима на работа – на принципа на транспондера, преизлъчващ сигнала на метеорологичния радар и самостоятелно излъчващ източник в двата диапазона. Детерминираният източник ще бъде калибриран точно с помощта на еталонорани измервателни уреди и в безехова камера за уточняване на ефективната отразяваща повърхност на активния източник на сигнали.

На същия етап от изпълнението на задачата ще извършим практически измервания на същите характеристики на приетите сигнали от недетерминиран външен източник. За целта ще използваме комплекс за запис на реални радарни сигнали на базата на съществуващ, създаден от нас двучестотен радар МРЛ5-IRIS, който ще пригодим за целта и ще използваме софтуер за запис на радиолокационни сигнали.

Получените резултати от експерименталните измервания ще сравним с теоретичен разчет на очакваните нива на приет сигнал/шум с помощта на средства за моделиране на разпространение на електромагнитните вълни на фона на цифрова карта на местността от типа на AREPS (Advanced Refractive Effects Prediction System), любезно предоставена ни за ползване от Военноморските сили на САЩ- най-добрата програма в света в тази област. Теоретичния разчет ще направим за 3 от съществуващите метеорологични радари за различни позиции на разположение на детерминирания източник на радарни сигнали, както и за обща з два съседни радара позиция на детерминирания източник, така че да опишем по-пълно загубите на приемане и предаване в различни азимутални направления.

С помощта на създадения комплекс за запис на реални радарни сигнали ще сравним и корегираме теоретичните модели с получените от записите реални сигнали.

В заключение на тази задача ще направим оценка на постигнатите точностни характеристики и в съответствие с тях изследваната методика за ориентиране и калибриране по активен външен източник ще намери място в създавания комплекс от методи за ориентиране и калибриране.

Етап 4 Сравнителен анализ на разработваните методи за дистанционно калибриране и ориентиране в среда на метеорологична радарна мрежа. Корекция на методиката по практическите резултати от полеви измервания. Оценка на полезността на всеки един от изследваните методи в практическата работа на метеорологичните радари.

За проверка на качеството на създавания комплекс от методи за ориентиране и калибриране ще извършим ориентиране и калибровка на три, разработени през последните години от нас метеорологични радар МРЛ5-IRIS от радарната мрежа на Агенцията за борба с градушки. Ще сравним получените резултати по една и съща цел със съседни радари. За целта в качеството на единна за два съседни радара цел ще използваме създадения детерминиран източник, както и равноотдалечени от радарите значими местни отражатели. Ще сравним резултатите по ориентирането с известни координати на целта в GoogleEarth, a за калибрирането по теоретичните разчети с помощта на AREPS. По резултатите от сравнителния анализ ще корегираме своите теоретични модели и методика за ориентиране и калибриране на метеорологични радари и мрежа от метеорологични радари.