Исследование флуктуаций некогерентных сигналов, отраженных от облаков

Abstract

Флуктуации радиолокационных сигналов, отраженных от облаков, связаны с турбулентными процессами, которые существенно влияют на безопасность полетов авиации. Эти сигналы содержат информацию о физических явлениях, протекающих в облаках. Поэтому дистанционное зондирование облачности с помощью метеорологических радаров представляет значительный интерес для диагностики и прогноза метеорологических явлений, происходящих в облаках. Однако большинство подобных радаров основано на некогерентной обработке отраженных сигналов, спектральные характеристики которых в литературе практически не описаны, поэтому в работе приведены результаты годичного цикла экспериментальных исследований спектров флуктуаций некогерентных сигналов 3-см диапазона радиоволн, отраженных от облаков, а также скорости диссипации турбулентной энергии. Показано, что наиболее вероятное значение ширины спектра флуктуаций скоростей составляет около λ / 2f ≈ 45 см/с при среднеквадратическом значении 27 см/с (λ – рабочая длина волны, f – текущая частота в спектре флуктуаций отраженного сигнала). Обработка результатов измерений также показала, что максимумы радиолокационной отражаемости и скорости диссипации турбулентной энергии в основном не совпадают, причем наибольше количество турбулентных ячеек разных размеров сосредоточено в верхней части облаков.

Флуктуації радіолокаційних сигналів, відбитих від хмар, пов’язані з турбулентними процесами, які істотно впливають на безпеку польотів авіації. Ці сигнали містять інформацію про фізичні явища, що протікають в хмарах. Тому дистанційне зондування хмарності за допомогою метеорологічних радарів становить значний інтерес для діагностики та прогнозу метеорологічних явищ, що відбуваються в хмарах. Однак більшість подібних радарів заснована на некогерентній обробці відбитих сигналів, спектральні характеристики яких в літературі практично не описані, у зв’язку з чим в роботі наведені результати річного циклу експериментальних досліджень спектрів флуктуацій некогерентних сигналів 3-см діапазону радіохвиль, відбитих від хмар, а також швидкості дисипації турбулентної енергії. Показано, що найбільш імовірне значення ширини спектра флуктуацій швидкостей становить близько λ / 2f ≈ 45 см/с при середньоквадратичному значенні 27 см/с (λ – робоча довжина хвилі, f – поточна частота в спектрі флуктуацій відбитого сигналу). Обробка результатів вимірювань також показала, що максимуми радіолокаційної відбиваності і швидкості дисипації турбулентної енергії, в основному, не збігаються, причому найбільшу кількість турбулентних осередків різних розмірів зосереджено у верхній частині хмар.

Fluctuations of signals scattered by clouds deal with turbulent processes, which strongly influence flight safety and contain information about physical phenomena in clouds. That is why remote sensing by weather radar is of great interest for diagnosis and forecast of meteorological phenomena that take place in clouds. But the majority of such radar use incoherent signal processing, spectral characteristics of which practically have not been described in literature, so in the paper we present the results of yearlong experimental study of incoherent signal fluctuations spectrums in 3 cm waveband reflected from clouds in 3 cm wave-band as well as dissipation speed of turbulent energy. As it was shown the most probable velocity spectrum width is about λ / 2f ≈ 45 cm/s and mean square value is 27 cm/s, where λ is operating wavelength and f is current frequency in signal spectrum. Also the maximums of radar reflectivity and dissipation speed do not coincide, at that the most number of turbulent cells of different dimensions are concentrated in upper cloud parts because of maximal influence of solar energy.