Антенны, используемые для радиолокации ионосферы (стр. 1 )

9.1. Антенны, используемые для радиолокации ионосферы

Атмосфера Земли представляет собой газообразную оболочку, которая вращается вместе с ней как единое целое. Нижней границей атмосферы служит поверхность Земли, верхняя же граница, по оценкам разных исследователей, различна. Земную атмосферу по плотности и составу газов, температурному режиму, электрическим и другим физическим свойствам подразделяют на три основных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического расположения точки наблюдения. Динамика атмосферных движений определяется тремя силами: силой градиента атмосферного давления (барическим градиентом), силой Кориолиса и силой трения. Температура атмосферы претерпевает регулярные и нерегулярные изменения. Это приводит к изменению плотности атмосферного газа и его движению в основном в горизонтальном направлении. Осредненные параметры процессов, происходящих в атмосфере, достаточно хорошо известны благодаря метеорологической службе, ведущейся во многих странах мира. Однако все острее стоит вопрос получения информации о происходящих атмосферных процессах в реальном времени. Исследования показывают, что имеют место значительные отличия мгновенных параметров атмосферы от усредненных. Развитие радиоэлектроники, быстродействующей вычислительной техники, а также значительное расширение знаний об атмосферных процессах, происходящих в тропосфере и стратосфере (последнее в значительной степени обусловлено требованиями, которые поставили перед метеорологией развитие авиационной и ракетной техники), привели к тому, что для метеорологических целей начали применяться радиолокационные системы метрового и дециметрового диапазона длин волн. Каждая радиолокационная система имеет в своем составе антенну, тип и параметры которой определяются исследуемым высотным интервалом атмосферы.

Исследования по определению электронной концентрации в ионосфере, которые базировались на теории преломления и отражения радиоволн в рамках геометрической оптики, проводились на кафедре «Теоретические основы радиотехники» начиная с 1953 г. В 1961 г. появилось сообщение о первых практических результатах нового метода исследования ионосферы, который получил название – метод некогерентного рассеяния радиоволн [1]. Эта работа и ряд других стали своеобразным стимулом для разработки аппаратуры, позволяющей наиболее полно реализовать возможности нового метода. В области антенн это нашло выражение в разработке и создании антенных систем, имеющих эффективную площадь поверхности в сотни и тысячи квадратных метров и способных работать с любым видом поляризации.

Первый этап в данном направлении состоял в разработке антенны, имеющей эффективную поверхность несколько сотен квадратных метров. В работе [2] рассматривается параболическая антенна диаметром 30 м, которая должна обеспечивать эффективную поверхность не менее 300 м2 в метровом диапазоне длин волн. Облучатель антенны, в качестве которого используется пирамидальный рупор квадратного сечения, должен позволять работать с двумя ортогональными поляризациями при уровне излучаемой мощности 1 МВт. В волноводе квадратного сечения, системой из двух взаимно перпендикулярных штырей, возбуждаются равноправные и независимые колебания типа H 10 и Н 01. Раскрыв пирамидального рупора составляет 1,11х1,11 λ 2 , его длина – 1,233 λ. Отражающая поверхность зеркала изготовлена из стальной сетки с ячейкой 100х100 мм2, каркас зеркала и опоры – изготовлены из дерева. При разработке конструкции антенны необходимо было выполнить условие, чтобы космический радиоисточник Кассиопея А проходил через максимум ДН антенны, для осуществления калибровки всей приемной системы. Измерение ДН антенны по радиоисточнику Кассиопея А проводилось компенсационным методом 12 мая 1970 г., ее регистрация приведена на рис. 9.1. Для его реализации приемник помещался в подземный бокс на глубину 9 м. Калибровка приемника проводилась по току шумового генератора, были учтены также потери в соединительных фидерах. Ширина ДН на уровне половинной мощности составила 5°50¢, а эффективная поверхность – 336 м2. Результаты измерений подтвердили правильность выбранных конструктивных решений.

Для получения энергетического потенциала станции некогерентного рассеяния, позволяющей измерять плотность электронной концентрации в ионосфере от области D до высоты 1000 км при имеющейся мощности передатчика 1 МВт, необходима антенна с эффективной поверхностью около 4000 м2. Опыт, полученный при монтаже облучателя и фидерной системы параболической антенны диаметром 30 м, показал, что создание однозеркальной параболической антенны с возможностью излучения большого уровня мощности в метровом диапазоне длин волн сопряжено с большими трудностями эксплуатационного характера. Для передачи мощности от передатчика к облучателю использовался жесткий коаксиальный фидер из медных труб. Под действием окружающей температуры происходят линейные изменения длины, которые создают большие физические напряжения, приводящие иногда к обрывам внутренней жилы коаксиального фидера. Устранение таких повреждений в том случае, когда они находятся на большой высоте, представляет значительные трудности. Поэтому схема однозеркальной антенны имеет существенный недостаток. Для зеркальных антенн, имеющих ширину ДН на уровне половинной мощности около 10, имеет смысл использование двухзеркальной антенны Кассегрена. При ориентации главного лепестка ДН в зенит данная схема антенны позволяет устранить указанные выше трудности, т. к. возбуждение рупорного облучателя осуществляется у вершины параболоида, а не в его фокусе. При разработке антенны по схеме Кассегрена, после выбора размеров основных элементов антенны, необходимо определить первоначальное осевое положение рупорного облучателя, так как по конструктивным соображениям его перемещение вдоль оси может составлять величину ± 1 λ. Была изготовлена модель облучателя (λ =1,635 см). В работе [3] приведены фазовые центры рупорного облучателя, который используется для возбуждения двухзеркальной антенны Кассегрена диаметром D=52,6l. Экспериментально были измерены диаграммы облучателя при облучении гиперболоида пирамидальным рупором с раскрывом 3,9lх3,9l и средним условным фазовым центром, совмещенным со вторым фокусом гиперболоида. При перемещении рупора на величину ±1l вдоль оси антенны относительно условного фазового центра приемлемая настройка антенны может быть обеспечена. Последующее моделирование антенны было проведено
с данной конфигурацией облучателя на длине волны 3 см. Целью моделирования было измерение полной ДН антенны в двух ортогональных плоскостях и оценка коэффициента использования поверхности апертуры. Разработка этого облучателя послужила основой для проектирования наземной двухзеркальной антенны с диаметром большого зеркала 100 м (НДА-100), которая является основной антенной измерительного комплекса некогерентного рассеяния Харьковского политехнического института [4]. На рис.9.2 приведен внешний вид антенны НДА-100. Отражающая поверхность главного зеркала выполнена из сетки с размером ячейки 100х100 мм2, а рупор и гиперболоид с коническим фланцем имеют размер ячейки 50х50 мм2. В нижней части рупор заканчивается квадратным волноводом, который возбуждается двумя ортогонально расположенными штырями диаметром 70 мм. К штырям подключаются жесткие коаксиальные фидеры с волновым сопротивлением 50 Ом. Для получения хорошего согласования в квадратном волноводе дополнительно помещены индуктивные диафрагмы. В плане антенна имеет такую квадратную разбивку, чтобы поверхность параболоида могла быть покрыта плоскими щитами, имеющими одинаковую сторону, но различные углы при вершине. Щиты окантованы угловым прокатом и крепятся к несущему каркасу из двутавра с помощью болтовых соединений. Опоры изготовлены в виде квадратных ферм, которые с помощью анкерных болтов крепятся к фундаментам. В верхней части фермы установлены шаровые опоры с башмаками, к которым крепятся двутавровые балки силового каркаса. Шаровые опоры позволяют отрабатывать необходимые углы наклона башмаков для создания заданного профиля поверхности. Центры опор расположены на эквидистантном расстоянии от параболы. Опорой контррефлектора является тренога высотой 43 м. Внутри треноги предусмотрена лестница для выхода ко второму зеркалу. Контррефлектор и рупорный облучатель могут изменять свое осевое положение с помощью лебедки, установленной на земле.

Исследование характеристик НДА-100 было проведено методом восстановления ДН по измерению токов на поверхности главного зеркала [5]. Рассчитанные ДН в главных плоскостях и измеренные на модели в трехсантиметровом диапазоне волн показывают удовлетворительное совпадение в области главного и первых боковых лепестков. Вычисленный по данным измерений коэффициент использования поверхности составил КИП=0,465, что близко к величине, полученной теоретически.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность выбора основных параметров антенны и соответствие ее характеристик требованиям, предъявляемым
к методу некогерентного рассеяния, – измерению высотного распределения электронной концентрации, температуры электронов и ионов, дрейфу плазмы и другим характеристикам.

9.2. Антенны, используемые для радиолокации атмосферы

Прогресс в исследовании процессов происходящих в атмосфере, стал возможен благодаря применению радиолокационных станций, оснащенных современными вычислительными устройствами, которые позволяют обрабатывать большой поток информации в реальном масштабе времени.

Отражающая способность атмосферы характеризуется структурной постоянной показателя преломления воздуха Сn2, которая зависит от таких параметров атмосферы, как температура, давление, влажность, их высотных градиентов, а также от состояния атмосферы,
последнее определяется градиентом скорости и коэффициентом турбулентного обмена. Типичные значения Сn2 для тропосферы составляют 10-13…10-19 м-2/3. Падающая волна, взаимодействуя со средой, претерпевает изменение амплитуды, частоты, фазы, поляризации, направления распространения и таким образом включает в себя информацию о структуре атмосферы и проходящих в ней динамических процессах. Получение информации
о состоянии среды производится за счет приема и соответствующей обработки сигнала.

Первые мезосферно-стратосферно-тропосферные (МСТ) измерения осуществлялись на станциях, использующих некогерентное рассеяние радиоволн в ионосфере [6]. В настоящее время эксплуатируются многие десятки радиолокационных станций вертикального зондирования (РЛС ВЗ), которые перекрывают высотный диапазон атмосферы от пограничного слоя до мезосферы, что определяется энергетическим потенциалом станций, а именно – произведением средней излучаемой мощности на площадь апертуры антенны (Рср×А). В табл. 9.1 приведены энергетические потенциалы и рабочие частоты нескольких классов РЛС ВЗ, предназначенных для исследования процессов в различных высотных диапазонах [7].

Таблица 9.1

Класс

Рср×А,

Вт×м2

Частота,

МГц

Диапазон высот,

км

МСТ

107…109

41…55

6…25, 60….90

СТ

105…107

41…404

2…15

Т

102…105

404…961

1…10

ПС

101…102

915…3000

0,1…2

Примечание. МСТ обозначает следующие наблюдаемые области – мезосфера, стратосфера, тропосфера; СТ – стратосфера, тропосфера; Т – тропосфера; ПС – пограничный слой.

Атмосферные РЛС ВЗ в основном являются импульсно-когерентными РЛС, имеют
в своем составе антенну или систему антенн, которые позволяют ориентировать главный лепесток диаграммы направленности (ДН) в области, близкие к зениту как минимум в двух ортогональных плоскостях для получения вектора горизонтальной скорости ветра, что может осуществляться механическим и электрическим путями.

Измеряя частоту отраженного сигнала при нескольких положениях ДН антенны и
обрабатывая принятый сигнал как функцию времени, можно получить разрешение по высоте радиальных компонент скорости ветра. Радиальная составляющая скорости ветра определяется на основе спектрального анализа реализаций отраженного сигнала.

При заданной мощности передающего устройства качественные показатели РЛС ВЗ характеризуются параметрами антенно-фидерного устройства.

Основные требования к антенным системам РЛС ВЗ сводятся к следующему:

– получение большой эффективной поверхности;

– обеспечение низкого уровня боковых лепестков;

– возможность управления пространственным положением луча ДН;

– антенны должны быть, по возможности, недорогими и удобными в эксплуатации, а узлы антенно-фидерной системы должны обеспечить передачу и излучение больших мощностей.

К дополнительному требованию можно отнести возможность использования при работе как линейной, так и круговой поляризацией, что позволит получить необходимую информацию для более глубокого понимания механизма рассеяния радиоволн на флуктуациях
неоднородностей атмосферы.

В большинстве случаев антенна РЛС ВЗ представляет собой сложную систему, занимающую большую площадь и имеющую эффективную апертуру от тысяч (СТ) до десятков тысяч (МСТ) квадратных метров, имеющую разветвленную систему питающих фидеров и управляемых фазовращателей или устройство механического управления положением ДН. Ширина луча ДН на уровне половинной мощности должна составлять не более 6°, чтобы эффекты угловой чувствительности не сказывались на измеряемой скорости [8]. На частотах выше 400 МГц используются, как правило, зеркальные антенны, на более низких частотах – фазированные антенные решетки (ФАР).

Из класса зеркальных антенн в основном используются однозеркальные параболические антенны. Область излучения однозеркальных параболических антенн можно разделить на две области: главного лепестка ДН и охватывающую боковые и задние лепестки – область рассеивания. Если не принимаются меры к снижению уровня боковых лепестков, то коэффициент рассеяния для однозеркальной параболической антенны с оптимальным уровнем облучения составит 0,3…0,5. При этом от 30 до 50 % мощности изотропного излучения поступает в антенну через область рассеяния, несмотря на то, что главный лепесток ДН РЛС ВЗ ориентируется в зенит или под углами, близкими к зениту. Отражательная способность наземных объектов много больше отражательной способности турбулентных неоднородностей атмосферы, поэтому мощность, рассеянная наземными объектами и принятая боковыми лепестками, может превышать мощность, пришедшую из направления главного лепестка ДН. Эти неблагоприятные условия особенно ощущаются, если антенна приподнята над Землей. В этом случае кроме влияния бокового лепестка в секторе углов 0…5° от горизонта, будут влиять и более дальние боковые лепестки. Основными методами уменьшения влияния лепестков ДН, находящихся под малыми углами к горизонту, являются:

– установка экрана по периметру параболического зеркала;

– размещение антенной системы на поверхности Земли и использование естественных экранирующих ограждений, например, стен зданий или складок местности.

В обычной зеркальной антенне источником бокового излучения является первичный облучатель и кромки зеркала. Чем выше уровень облучения кромки зеркала, тем больше
будет уровень дальнего бокового излучения. Использование цилиндрического экрана по периметру зеркала приводит к тому, что все переотраженные волны излучаются в переднее полупространство. Это несколько увеличивает шумовую температуру антенны, но влияние увеличения шумовой температуры менее существенно, чем отражения от земных объектов.

Использование ФАР позволяет при невысоких требованиях к точности изготовления и фазовой стабильности системы питания антенны получить большую апертуру, требуемую ширину ДН и осуществить электрическое сканирование луча.

В существующих СТ (и МСТ) РЛС используются преимущественно ФАР. По конструкции первичного излучателя ФАР можно разделить на две группы. К первой – относятся коллинеарно-коаксиальные излучатели (КОКА), которые изготавливаются из гибкого радиочастотного кабеля или жесткой коаксиальной линии [9]. Ко второй – ФАР, использующие направленные излучатели типа волновой канал, антенны обратного излучения или просто полуволновые вибраторы.

Линейная решетка КОКА имеет четное число излучателей и симметричное амплитудное распределение, спадающее к краям за счет потерь в самой коаксиальной линии.

Чтобы проверить возможность применения КОКА в качестве излучающего элемента ФАР, было изготовлено две восьмиэлементные антенны [10] и проведены соответствующие измерения. Для обеих антенн характерен двугорбый характер изменения коэффициента усиления
в диапазоне частот. Глубина провала достигает почти 3 дБ и приходится на частоты, которым соответствует не отклоненная ДН при возбуждении ее с концов. На частоте f=57,3 МГц ширина ДН составила 2q0,5=18°, а уровни первого и второго боковых лепестков –15 дБ и –24 дБ соответственно. При уровне КСВ=2 полоса антенны составила Df=1,2 МГц, что соответствовало полосе приемного тракта, определяемого длительностью зондирующего импульса.

Несмотря на то, что КОКА из отрезков радиочастотного кабеля широко используется в
качестве излучающих элементов ФАР с большой эффективной поверхностью [11–13], при настройке таких антенн с целью получения максимального усиления могут возникнуть трудности из-за двугорбого характера изменения коэффициента усиления каждого излучающего элемента.

Использование направленных излучателей позволяет уменьшить общее количество
излучающих элементов при заданной апертуре антенны за счет большего разноса излучающих элементов друг относительно друга по сравнению с решеткой, состоящей из полуволновых излучателей. При этом уменьшается электромагнитная связь между излучателями, что позволяет настраивать каждый элемент ФАР независимо от остальных.

9.2.1. Антенна измерительного комплекса СТ РЛС

Во время выполнения в 1981–1985 гг. международной программы средней атмосферы (MAP) и ее продолжения (1986 – 1988 гг.) – программы «Среднеатмосферной кооперации» (MAC) коллективом Проблемной научно-исследовательской лаборатории ХНУРЭ под руководством научного руководителя лаборатории профессора, доктора технических наук был создан экспериментальный макет первой в то время в Украине
и СССР радиотехнической системы вертикального зондирования атмосферы (РТС ВЗ) для исследования динамических процессов в стратосфере и тропосфере (СТ РЛС). Функциональная схема СТ РЛС, основные технические характеристики и экспериментальные
результаты зондирования атмосферы приведены в работе [14].

В основу антенного устройства измерительного комплекса СТ РЛС [15] положено использование направленных излучателей. Измерительный комплекс включает две одинаковые антенные решетки, одна из которых является передающей. Фидерное устройство передающей ФАР позволяет работать с импульсной мощностью до 1 МВт. ФАР имеет в своем составе 64 излучателя и состоит из восьми линеек по восемь излучателей в каждой линейке, которые возбуждаются по параллельной схеме. Излучатели располагаются в узлах плоской координатной сетки квадратной структуры. Каждая ФАР формирует два ортогональных луча, с помощью которых измеряются зональные и меридиональные составляющие скорости ветра, а для измерения вертикальной составляющей лучи ориентируются в зенит. Управление ДН антенн осуществляется
с помощью фазовращателей, состоящих из отрезков радиочастотного кабеля, геометрические размеры которых кратны четверти длины волны. С помощью электромеханических устройств эти фазовращатели включаются в тракты фидеров, питающих линейки излучателей.

В качестве излучателя ФАР использована укороченная антенна обратного излучения (АОИ) [16], состоящая из малого рефлектора диаметром l/2, располагаемого относительно
общего апериодического рефлектора на расстоянии l/2. Между рефлекторами устанавливаются два ортогональных полуволновых вибратора с Т-образной схемой питания. Внешний вид излучателя ФАР приведен на рис. 9.3.

Для уменьшения неблагоприятного воздействия помех, приходящих под малыми углами к горизонту, приемная ФАР заключена в сетчатый экран квадратной формы 48х48 м2 высотой 6,7 м. Как показали расчеты, экран такой высоты позволил уменьшить уровень помех на 10 дБ.

Подавление направленными свойствами излучателя дифракционного множителя ФАР, обусловленного выбранным расстоянием между излучателями при фазировании под углом 15° от зенита,
составляет 18…20 дБ. Коэффициент стоячей волны на входе каждого излучателя КСВ=1,1. Суммарная ширина полосы антенны при КСВ=2 составляет более 2 МГц. Развязка ортогональных каналов не менее 25 дБ, а между отдельными излучателями – 20 дБ и более. Расчётная ширина ДН на уровне – 3 дБ составляет 6°. Результаты измерений, проведенные по внеземным источникам радиоизлучения Лебедь А и Кассиопея А, подтвердили эту величину. Абсолютные значения плотности потока мощности этих источников позволили произвести оценку эффективности апертуры антенны, которая составила примерно 1600 м2.

У антенны СТ РЛС, как и у каждой антенны, есть боковые лепестки, через которые осуществляется прием. При интерпретации результатов измерений следует оценивать величину их вклада в суммарный принятый сигнал.

9.2.1.1. Оценка погрешности определения высотного профиля мощности за счет приема сигналов боковыми лепестками антенны в СТ РЛС. Отражающим объектом для РЛС ВЗ является объемно распределенная цель, состоящая из неоднородностей атмосферы,
которые описываются с одной стороны структурной постоянной показателя преломления, характеризующей турбулентное состояние атмосферы, и с другой – имеют в наличии тонкие слои с градиентом показателя преломления. Отражающая способность тонких слоев описывается фактором угловой чувствительности Q), т. е. снижением отражающей способности в зависимости от величины угла отклонения ДН от зенита. Из анализа экспериментальных данных
установлено, что угловая чувствительность может составлять величину Q)= 0…2,5 дБ/град. Регистрируемый высотный профиль мощности имеет в своем составе две составляющие: мощность, которая поступает из области главного и боковых лепестков ДН антенны.
Поэтому возникла необходимость в разделении мощности, поступающей из главного лепестка ДН антенны и области боковых лепестков, а также определении процентного содержания мощности последней в суммарном принятом сигнале.

Для того чтобы учесть влияние боковых лепестков, следует рассмотреть импульсный объем объемно распределенной цели, занимаемый не только главным лепестком ДН, но и боковыми лепестками (рис.

Для всех лепестков глубина импульсного объема , а полный импульсный объем из n лепестков определяется телесным углом: . Считая ДН антенны осесимметричной, уравнение радиолокации для принятой мощности можно записать в виде

,

где – мощность передатчика, Вт; , – потери в режиме передачи и приема;
l – длина волны, м; r – дальность до цели, м; ,– усиление передающей и приемной антенн; и – углы, для которых уровень мощности уменьшается на 3 дБ относительно максимума в данном боковом лепестке. Вклад мощности от боковых лепестков осуществлялся с учетом весовой функции Pi(Q), которая определялась выражением , где – уровень бокового лепестка ДН относительно главного в децибелах.

Высотная зависимость структурной постоянной была принята в виде

,

где h – высота зондирования, км; – угол ориентации максимума i-го бокового лепестка ДН.

Расчеты показали, что первый боковой лепесток при уровне –12,8 дБ дает вклад 2 %. Уровни 2…6 лепестков находятся в интервале –20… –36 дБ и их вклад около 0,25 %. Седьмой
боковой лепесток оценен уровнем –22 дБ и его вклад изменяется от 1,5 % для высоты 1,5 км до
10 % для высоты 10 км.

В расчетах не учитывался фактор угловой чувствительности. Так как при a(Q) = 1 дБ/град даже уровень первого бокового лепестка, который имеет отклонение от зенита =10 0, дает добавку мощности на 10 дБ меньше, чем в случае, когда a(Q) = 0 дБ/град.

Таким образом, мощность, привнесенная в основной сигнал боковыми лепестками в интервале высот для СТ РЛС, не превышает 4…13 % при факторе угловой чувствительности a(Q)= 0 дБ/град.

9.2.1.2. Высотная зависимость поляризационной структуры сигналов, рассеянных в тропосфере. При измерении высотного профиля мощности было обнаружено, что при излучении линейной поляризации, принятый сигнал имел место как в согласованной по поляризации антенне, так и в ортогональной. Это говорит о том, что отраженная волна имеет какую-то поляризационную структуру, которую можно охарактеризовать эллипсом, форма которого определяется отношением осей – коэффициентом эллиптичности

, (9.1)

где b и a – малая и большая полуоси эллипса соответственно.

Знак величины r зависит от направления вращения вектора электрического поля. В том случае, когда вдоль направления распространения волны вектор электрического поля обходит поляризационный эллипс по часовой стрелке, знак величины r считается положительным, а волна в этом случае называется право поляризованной. Поскольку , то угол aэ= arctg r находится в пределах . Этот угол называется углом эллиптичности.

Угол ориентации поляризационного эллипса определяется углом bэ, отсчитываемым от оси абсцисс до большой оси эллипса против часовой стрелки.

Параметры эллипса, выраженные через энергетические характеристики принятой волны (параметры Стокса), определяются следующими выражениями [17]:

, (9.2)

, (9.3)

где I, Q, U, V – параметры Стокса.

Параметры Стокса имеют одну размерность и позволяют связывать между собой разнородные характеристики волны, такие как интенсивность (мощность), являющуюся суммой интенсивностей ортогональных компонент; степень поляризации m для случая частично поляризованной волны и, как указано выше, угол эллиптичности aэ и угол ориентации эллипса bэ.

В линейно поляризованном базисе параметры Стокса выражаются следующим образом:

(9.4)

(9.5)

(9.6)

. (9.7)

Для полностью поляризованной волны справедливо соотношение

В случае частично поляризованной волны можно, согласно теореме Стокса, осуществить разложение частично поляризованной волны I на сумму двух волн, одна из которых полностью поляризована Iп, а другая, не зависящая от нее, не поляризована Iн, при этом степень поляризации волны m представляет собой отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты к полной интенсивности:

.

Кроме того, параметры Стокса обладают свойством аддитивности, т. е. при сложении нескольких независимых потоков параметры Стокса результирующего потока равны сумме соответствующих параметров отдельных потоков:

; ;

; .

Параметр Стокса I есть полная интенсивность (мощность) принятой волны. Параметр Q представляет собой разность интенсивностей ортогонально поляризованных компонент. Эти два параметра измеряются в линейном базисе . Параметр U является разностью мощностей ортогональных линейно поляризованных составляющих, измеренных в линейном базисе , развернутом относительно базиса на угол p/4 от положения, в котором были определены первые два параметра Стокса (I и Q).

Физический смысл параметра Стокса V заключается в том, что он представляет собой
разность мощностей ортогонально поляризованных компонент в круговом базисе.

Для определения поляризационных характеристик принятого сигнала измерительный комплекс СТ РЛС был дополнен антенной перестраиваемой поляризации, использование которой эквивалентно «методу нескольких антенн».

Данный метод предусматривает проведение только амплитудных измерений. Для того чтобы полностью определить поляризационные параметры волны, необходимо использовать четыре антенны фиксированной поляризации [17]. Эллиптически поляризованная волна
может быть представлена в виде точки на сфере Пуанкаре, полюсы которой соответствуют круговой поляризации противоположного направления вращения, а экватор соответствует
линейной поляризации. Если использовать три антенны линейной поляризации, то их поляризации будут соответствовать точкам на экваторе сферы Пуанкаре. Для определения направления вращения вектора электрического поля необходимо использование четвертой антенны, точка поляризации которой не лежала бы на экваторе сферы Пуанкаре.

На практике наиболее удобно использовать три антенны линейной поляризации, ориентированные друг относительно друга под углом 45°.

Предварительные исследования показали, что в данном случае одновременные параллельные измерения на нескольких антеннах могут быть заменены последовательными измерениями параметров волны на одной антенне перестраиваемой поляризации.

При проведении поляризационных измерений на комплексе СТ РЛС использовалось три антенны с ДН, ориентированными в зенит. Две из них (передающая и приемная) являются основными антеннами для проведения измерений скорости ветра доплеровским методом, и имеют в своем составе по 64 излучателя. Каждая из них имеет два ортогональных канала с ориентацией излучаемого электрического вектора поля север–юг и запад–восток.

В соответствии с программой измерений устройства коммутации антенн позволяют
получать любые комбинации линейных поляризаций передающей и приемной антенн. Это позволяет измерять изменения уровня мощности отраженного сигнала с высотой при полном энергетическом потенциале станции. Но при этом могут быть измерены только сигналы согласованных и ортогональных поляризаций.

Система фазирования передающей и приемной антенн выполнена таким образом, что качание ДН то ли на север, то ли на запад осуществляется в Н-плоскости. Поэтому для области зенита условно была принята следующая терминология: «западный зенит» и «северный зенит». При «западном зените» ориентация излучаемого (или принимаемого основной приемной антенной) электрического вектора поля имеет направление север–юг, а при
«северном зените» – запад–восток.

Для измерения параметров Стокса была изготовлена третья антенна перестраиваемой поляризации. Антенна перестраиваемой поляризации представляет собой четырехэлементную антенную решетку с расстоянием между элементами решетки 5,4 м. В качестве излучателя решетки используется четырехэлементный волновой канал. Расстояние от рефлектора волнового канала до уровня земли – 0,55 м. Каждый волновой канал имеет возможность вращаться вокруг своей оси. Созданием соответствующей пространственной ориентации излучателей и двух 90° коммутируемых фазовращателей в системе фазирования удается получить разложение принимаемой волны в двух линейных и одном круговом базисах.

На рис. 9.5 представлена пространственная ориентация излучателей, которая использовалась для измерения параметров Стокса. Как следует из приведенной на рисунке схемы ориентации антенн, для измерения параметров Стокса при одной поляризации излучения следует произвести шесть последовательных измерений. В первых четырех измерениях все излучатели имеют синфазную запитку. В пятом и шестом измерениях в два плеча с помощью коммутируемых элементов включаются два фиксированных фазовращателя из отрезка
радиочастотного кабеля длиной l/4. В случае излучения «западный зенит» в измерении №5 будет осуществляться прием право поля-ризованной волны, в измерении №6 – лево поляризованной, а при излучении «северный зенит», наоборот. Каждый излучатель по входу согласован с фидером. Для согласования четырехэлементной решетки с фидером, идущим на вход приемного устройства, используется согласующий трансформатор длиной l/4.