Поляризованный доплеровский радарный рефлектометр X‑диапазона

Внедрение: 2017 г.

В настоящее время дистанционное зондирование Земли является одним из основных методов диагностики океана и атмосферы. В работе [1] описана экспериментальная модель непрерывного волнового доплеровского радарного рефлектометра X‑диапазона (синусоидальная частотная модуляция), предназначенная для физических исследований рассеяния радиоволн от морской поверхности в контролируемых условиях. Прототип разработан и изготовлен в ИПФ РАН. Его главная особенность – адаптация к условиям лабораторного моделирования в потоках ветрового волнения для исследования зависимости нормированного радиолокационного сечения (normalized radar cross-section – NRCS) от скорости ветра.

Принципиальная схема СВЧ-тракта поляризованного рефлектометра представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема СВЧ-тракта поляризованного рефлектометра: Horn – пирамидальный рупор с квадратной апертурой; ОМТ – орторежимный преобразователь (рисунок 2); С – циркулятор; ТS – двухканальный переключатель; ВМ – балансный смеситель; PS – настраиваемый фазовращатель; G – СВЧ-генератор мощностью 100 мВт (HITTITE HMC‑C030); DC_3dB – направленный ответвитель 3 дБ на основе волноводного щелевого моста; DC_15dB – направленный ответвитель перекрестного формирования 15 дБ; E – E изгиб волновода на 90° (или 180°), H – изгиб волновода в H-плоскости, T‑90 – поворот волновода для поворота поляризации на 90°; TA – настраиваемый СВЧ‑аттенюатор (0‑34 дБ); ML – согласованная нагрузка; IF – промежуточная частота; MF – частота модуляции генератора.

В статье авторы подробно описывают принцип действия поляризованного рефлектометра. После аналоговой обработки сигналы на доплеровских частотах, соответствующие косинусному и синусоидальному каналам, разделяются фильтрами нижних частот. Затем с помощью модуля АЦП E14‑440 две квадратурных составляющих сигнала записываются на жесткий диск компьютера для дальнейшей обработки.

Рисунок 2. ОМТ, представляющий собой трёхпортовое устройство (слева); рассчитанные коэффициенты отражения ОМТ (тонкие линии) и измеренные значения (толстые линии) системы ОМТ + рупор (справа).

На рисунке 3 показан фрагмент измеренных (зашумленные кривые) временных откликов квадратурных каналов I(t) и Q(t) на раскачивание/колебание металлической сферы-маятника, расположенной на расстоянии 3,15 м от апертуры рупора. На рисунке 3 также показано сравнение измеренных и теоретических (гладкие кривые) откликов I(t), Q(t) на амплитуду качания металлической сферы-маятника.

Рисунок 3. Фрагмент измеренных (зашумленные кривые) временных откликов квадратурных каналов I(t) и Q(t) на раскачивание/колебание металлической сферы-маятника, расположенной на расстоянии 3,15 м от апертуры рупора.

Экспериментальные зависимости NRCS σ₀ для четырех поляризаций и угла падения 30° показаны на рисунке 4 черными квадратами. 

Рисунок 4. Экспериментальные зависимости NRCS σ₀.

На рисунке 4 также показано сравнение измеренного NRCS σ₀ с предсказанием двухмасштабной модели брэгговского рассеяния, которая правильно предсказывает результаты зондирования при совместной поляризации для умеренных скоростей ветра. Линии указывают теоретические расчеты. Как видно из рисунков 4a и 4b, двухмасштабная модель Брэгга действительно воспроизводила экспериментальные результаты с абсолютной ошибкой 2 дБ для параллельных вертикальных и горизонтальных NRCS для скоростей ветра менее 20‑25 м/с.

В то же время двухуровневая модель Брэгга не смогла предсказать наблюдаемое снижение сополярности NRCS для скорости ветра более 20‑25 м/с. Это снижение может быть связано с влиянием пены, образующейся в процессе обрушения гребней поверхностных волн. Для кроссполярного NRCS расхождение между расчетами и измерениями превышало 10 дБ, что указывает на наличие других (небрэгговских) механизмов рассеяния. 

Источник:

Abramov V.I., Zuikova E.M., Sergeev D.A., Troitskaya Y.I., Ermoshkin A.V., Kazakov V.I. Polarized X-band Doppler Radar Scatterometer for Investigation of Microwave Scattering of the Wavy Water Surface in Laboratory Conditions. Radioelectronics and Communications Systems. 2017. Vol. 60. № 9. Pp. 393‑400. DOI: 10.3103/S0735272717090023.

Разработчик: Абрамов В.И. (НИРФИ, НН), Зуйкова Э.М., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И., Ермошкин А.В., Казаков В.И. (Ин-т прикладной физики, НН)