Устройство и принцип работы РЛС «МЕТЕОРИТ» и радиозонда «МАРЗ – 2»

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экспериментальной физики атмосферы

РЕФЕРАТ

по дисциплине

“Методы и средства гидрометеорологических измерений”

На тему: Устройство и принцип работы РЛС «МЕТЕОРИТ» и радиозонда «МАРЗ – 2»

Выполнила:

Алимова М. ст. гр. И-369

Санкт-Петербург

2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВведеНИЕ ................................................................................
................ 3

1. Принцип работы РЛС МЕТЕОРИТ .................................................... 4

1.1. Технические характеристики ....................................................... 4

1.2. Функциональная схема .................................................................. 4

1.3. Принцип работы систем РЛС МЕТЕОРИТ ................................ 5

1.4. Отличие РЛС МЕТЕОРИТ от РЛС МЕТЕОРИТ – 2 ................ 10

2. Устройство и принцип работы радиозонда МАРЗ – 2 ................ 10

2.1. Устройство радиозонда МАРЗ – 2.............................................. 10

2.2. Принцип работы радиозонда МАРЗ – 2................................... 13

3. Проверка технических характеристик радиозонда МАРЗ – 2 с помощью КИПАС ................................................................................
.................................... 13

4. Контрольная выдержка радиозонда перед пуском.……………………16

4. Список используемой литературы................................................... 16

ВВЕДЕНИЕ

Система радиозондирования «Метеорит - МАРЗ» - это система, принад­лежащая к оперативным отечественным системам зондирования атмосферы, в состав которой входит наземная импульсная радиолокационная станция типа (РЛС) «Метеорит» и радиозонд МАРЗ (малогабаритный аэрологический радиозонд).

В процессе реализации зондирования измеряются такие метеорологические величины как темпера­тура и относительная влажность воздуха, а также текущие коор­динаты радиозонда. Это позволяет  определить  следующие важнейшие характеристики: скорость и направление ветра, давление воздуха, температуру точки росы и другие.

Система радиозондирования «Метеорит — МАРЗ» притерпела ряд модификаций; поэтому в настоящее время используется РЛС типа «Ме-теорит-2» и радиозонд МАРЗ-2-2.

При разработке радиолокационной станции Метеорит – 2 были внедрены следующие технические усовершенствования:

1. Повышение точности угловых координат.

2. Разработка и улучшение датчиков температуры и влажности.

3. Разработка специальных эталонных радиозондов.

4. Автоматизация обработки данных.

5. Микроминиатюризация элементов радиозонда и РЛС.

6. Повышение потенциала РЛС.

В данной работе рассматриваются сравнительные характеристики Метеорит – 2 и МАРЗ, поскольку эти станции схожи друг с другом.

1. Принципы работы РЛС МЕТЕОРИТ

1.1.           Технические характеристики

-Диапазон частот электромагнитной энергии, излучаемой передатчиками РЛС 1772.5 – 1792.5 МГц

-Импульсная мощность передатчиков:

 маломощного = 1 кВт и большой мощности = 200 кВт

-Длительность излучаемых импульсов:

запрос = (1.5 ± 0.3) мкс; частота повторения импульсов запроса = 416 Гц;

-Антенна параболического типа с диаметром = 2.5 м;

-Ширина диаграммы направленности антенны = (5±1)°;

-Чувствительность приемника РЛС = 10^-14 Вт;

-Дальность автоматического сопровождения радиозонда с регистрацией данных = 250 км;

-Средняя ошибка определения угловых координат радиозонда      7.2;

- Срединная ошибка измерения дальности:  

при дальностях до 50 км = 20 м; при дальностях до 150 км = 40 м;

-Точность регистрации:

угловых координат = 3.6; дальности = 10 м; частот измеренных метеорологических величин = 1 Гц;

-Потребляемая мощность при напряжении питания 220 В = 9 кВА.

1.2.         Функциональная схема

На схеме изображены два основных блока: радиозонда и РЛС. (Устройство и принципы работы МАРЗ – 2 мы рассмотрим в пункте 2.)

В состав блока РЛС входят:

9. Антенная система РЛС – АФС; 10. Приемная система РЛС;

11. Передающая система; 12. Система измерения дальности; 13. Система счета; 14. Система измерения угловых координат; 17. Система обработки информации; 16. Система регистрации данных; 15. Система управления антенной по угловым координатам

В следующем пункте рассмотрим принцип работы каждой системы МЕТЕОРИТ – 2. Это позволяет нам сравнить МЕТЕОРИТ с МЕТЕОРИТ – 2.

1.3.         Принцип работы систем РЛС МЕТЕОРИТ – 2

 

МТМ - 42

                       

		МТМ - 44

 

1.3.1.   Передающая система

Система предназначена для формирования кратковременных импульсов высокочастотной энергии большой и малой мощности.

Передатчик малой мощности МТМ-12 ис­пользуется при сопровождении радиозонда в начальный период времени на дистанции до 1—2 км. При достижении расстояния до цели 1—2 км автоматически включается передатчик боль­шой мощности МТМ-10, а передатчик малой мощности выклю­чается. Импульсы с передатчиков по высокочастотному фидеру подаются на соответствующие антенны. В режиме «Уголковый отражатель» работает только мощный передатчик.

При работе станции в режиме «Радиозонд» во время измере­ния метеоданных импульсы запуска передатчика автоматически снимаются, и передатчик прекращает генерацию. Блок МТМ-11 обеспечивает формирование импульсов управления передатчи­ком большой мощности.

1.3.2. Антенно-фидерная система

Антенно-фидерная система необходима для канализации электромагнитной энергии СВЧ, генерируемой передатчиком, к антенне, для преобразования этой энергии в электромагнит­ные волны и излучения их в окружающее пространство в виде узконаправленного луча, для приема отраженных от уголкового отражателя или ответных сигналов передатчика радиозонда и передачи их по фидерному тракту в приемник.

Штырь-конусная антенна предназначена для излучения сиг­налов передатчика малой мощности при работе станции в ре­жиме «Радиозонд».

1.3.3. Приемная система

Приемная система служит для преобразования принятых ан­тенной сигналов и усиления их до величины, необходимой для нормальной работы систем дальности, управления антенной и счета. Основное усиление сигналов в приемнике осуществляется на промежуточной частоте 30 МГц.

Конструктивно приемник разделен на блоки. Блок МТМ-35 — электронный параметрический усилитель (ЭПУ) — обеспечи­вает первоначальное усиление принятых высокочастотных сиг­налов и их распределение по каналам АФС, выполняя функцию антенного переключателя.

Предварительное усиление на промежуточной частоте произ­водится в блоке МТМ-31.

Главный усилитель МТМ-32 разделен на каналы: дальности (обеспечивает работу системы измерения дальности); угловой автоматики (обеспечивает работу системы управления антен­ной). В блоке МТМ-33 формируются считаемые импульсы ме­теоданных. В блоке МТМ-34 размещен генератор накачки ЭПУ.

1.3.4. Система измерения дальности

Система измерения дальности предназначена для синхрони­зации работы магнетронного передатчика, наблюдения и выбора объекта по индикатору дальности, ручного и автоматического сопровождения объекта по дальности, измерения дальности и передачи данных в систему регистрации, формирования импуль­сов, управляющих работой приемной системы, и синхронизации системы счета.

В системе есть индикатор для визуального наблюдения сигналов от объекта с масштабом развертки 30 и 2 км. За­держка начала развертки электронно-лучевой трубки может меняться относительно импульса запуска, что обеспечи­вает плавный выбор диапазона наблюдаемого сигнала в преде­лах всей дальности автосопровождения — 250 км. В системе пре­дусмотрена схема автодальномера, которая обеспечивает авто­матическое сопровождение по дальности и передачу данных о дальности в систему регистрации. Сопровождение по дально­сти можно осуществлять и вручную. Система разделена на блоки: дальности МТМ-51; автосопровождения по дальности МТМ-52; управления по дальности МТМ-53.

1.3.5.  Система управления антенной

Система управления антенной обеспечивает управление по­ложением антенны. Предусмотрены три режима работы си­стемы: ручного управления, автоматического сопровождения и дистанционного управления.

Режим ручного управления используется для поиска объекта и сопровождения его перед переходом на автоматическое сопро­вождение. Режим автоматического сопровождения используется для точного определения угловых координат сопровождаемого объекта. Режим дистанционного управления позволяет управ­лять антенной системой с выносного пульта ручного управления.

Конструктивно система управления антенной разделена на блоки: блок управления антенной МТМ-71; блок сопровождения мо азимуту и углу места МТМ-72; блок магнитных усилителей МТМ-73; блок антенной колонки МТМ-74; блок автосопровождения по угловым координатам МТМ-75; пульт дистанционного управления МТМ-76.

1.3.6. Система счета

Система необходима для подсчета числа импульсов метеоданных в определенном интервале времени, поступающих от радиозонда, и для синхронизации работы системы передачи/регистрации данных.

Подсчет импульсов единиц и десятков метеоданных произ­водится счетчиком МТМ-41, а сотен и тысяч — счетчиком МТМ-42. В блоке эталонных импульсов МТМ-43 формируются импульсы, определяющие время счета и время печати резуль­татов счета, и импульсы сброса результатов счета.

Система счета может работать в режиме «Абсолютный счет», когда время подсчета импульсов равно 1 с, и в режиме «Отно­сительный счет», когда время подсчета импульсов может изме­няться оператором в пределах 0,87—0,99 с. В случае возникно­вения замирания сигналов счет прекращается на время замира­ния. Результаты счета контролируются по приборам.

Кроме того, в системе счета вырабатываются импульсы с ча­стотой следования 1000 Гц для проверки работы системы и на­пряжение синхронизации счетчика времени. Индикацию счета импульсов обеспечивает блок электронного индикатора счета импульсов МТМ-44.

1.3.7.  Система передачи и регистрации данных

Система предназначена для передачи значений текущих угловых координат и наклонной дальности цели в автоматическое регистрирующее устройство МТМ-62 и для регистрации времени, текущих координат и метеоданных на бумажной ленте. Передача угловых координат с антенной колонки и наклонной дальности из системы дально­сти осуществляется с помощью сельсинных связей. Печать этих данных происходит через каждые 5 или 30 с. Метеоданные пе­чатаются через каждые 2,5 или 5 с специальными механизмами печати.

Программа регистрации метеоданных, т. е. темп регистра­ции, вырабатывается в блоке эталонных импульсов.

Формирование напряжений, обеспечивающих регистрацию угловых координат и дальности, производится в блоке сервоуси­лителей МТМ-61 и в блоке магнитных усилителей МТМ-63.

1.3.8. Система электропитания

Система электропитания служит для обеспечения всех си­стем станции необходимыми для их нормальной работы напря­жениями.

На вход системы подается напряжение 220 В, 400 Гц от станции питания или от сетевого агрегата питания.

1.4.         Отличие РЛС МЕТЕОРИТ от РЛС МЕТЕОРИТ – 2

2. Устройство и принцип работы радиозонда МАРЗ – 2

2.1.         Устройство радиозонда МАРЗ – 2  

Малогабаритные аэрологические радиозонды типа МАРЗ предна­значены для преобразования значений основных метеорологических величин (температура и относительная влажность воздуха) в радиоте­леметрический сигнал, принимаемый аэрологической радиолокацион­ной станцией (РЛС), а также для формирования ответного сигнала на запросный импульс РЛС. По измеренным координатам радиозондов типа МАРЗ определяются скорость и направление ветра в атмосфере.

Совместно с РЛС «Метеорит», «Метеор» используются радио­зонд МАРЗ-2-1 и ответчик МАРЗ-0. Совместно с РЛС Метеорит-2 используются радиозонд тип МАРЗ-2 и ответчик МАРЗ-0. В качестве датчика температуры используется полупроводниковый терморези­стор ММТ-1, датчика влажности - мембрана из животной пленки, механически соединенной с реостатом.

Рассмотрим функциональную схему МАРЗ – 2

 

Функциональная схема радиозонда МАРЗ-2 включает в себя сверхрегенеративный приемопередатчик, имеющий сверхвысокочастотный автогенератор (СВЧ-АГ), генератор суперирующих импульсов (ГСИ), измерительный преобразователь сопротиваление-частота (ПСЧ), электронный коммутатор, источник питания и стабилизатор напряжения и тока. Сверхрегенеративный приемопередатчик, состоящий из генератора суперирующих импуль­сов и ключей внешней модуляции, совмещает в себе функции пере­датчика на частоте 1782 МГц и высокочувствительного приемника. Чувствительность радиозонда к запросным радиоимпульсам РЛС длительностью 0,8 мкс и частотой следования от 400 до 900 Гц не более 60 дБ относительно 1 Вт/м². В качестве СВЧ-АГ используется модуль СВЧ М 45302. Генератор суперирующих импульсов вырабаты­вает импульсы частотой 800±25 кГц, которые поступают на вход управления СВЧ-АГ. Коммутирующая схема электронного коммутато­ра служит для циклического подключения к входу в ПСЧ только опорного резистора или опорного резистора, соединенного последова­тельно с узлом температуры и влажности. Очередность следования частот телеметрии F_oп F_t F_u F_t F_on. Длительность цикла передачи час­тот телеметрическоого сигнала каждого канала составляет 25±5 с.

Диапазон измерения относительной влажности воздуха от 15 до 98 % в диапазоне изменения температуры от 50 до -40°С. Диапазон изменения опорной частоты F_on в рабочих условиях применения:

(2080±80) Гц для радиозондов МАРЗ-2-1;

(1080±40) Гц для радиозондов МАРЗ-2-2.

Диапазон изменения частоты температуры F_t в рабочих условиях применения - от 50 до (F_оn - 25) Гц. Диапазон изменения частиц от­носительной влажности F_u в рабочих условиях применения:

от 1400 до (F_оn- 20) Гц для радиозондов МАРЗ-2-1;

от 500 до (F_оn- 20) Гц для радиозондов МАРЗ-2-2.

Плотность потока излучаемой мощности на расстоянии около 2 м от центра противовеса антенны в направлении максимального излучения должна быть не менее 1,4-10 Вт/м. Для обеспечения стабильной работы радиоблока служат стабилизаторы питания: стабилизатор напряжения 6 В; стабилизатор напряжения 24 В; стабилизатор тока корректора СВЧ-АГ.

2.2.        Принцип работы радиозонда МАРЗ – 2

С выхода преобразователя сопротивление-частота (ПСЧ) сигнал по­ступает на вход сверхвысокочастотного автогенератора и совместно с ГСИ осуществляет с помощью ключей внешней модуляции амплитудно-импульсную модуляцию несущей частоты СВЧ-АГ. Измеренные радио­зондом значения основных метеорологических величин кодируются в соответствующие значения частот повторения импульсов телеметриче­ской информации. При этом отрицательные импульсы телеметрической информации вызывают появление пауз в излучении СВЧ-АГ. В работе преобразователя сопротивление-частота (ПСЧ) радиозонда МАРЗ-2 ис­пользован мультивибратор на аналоговых однопереходных транзисторах (АОПТ).

Датчики температуры R_t и влажности R_u подключаются элек­тронным коммутатором в цепь заряда емкости С₁ последовательно с опорным сопротивлением. В реальных схемах мощность, выделяемая в датчиках температуры и влажности, не превышает 100 мкВт, что позволяет пренебречь погрешностью от перегрева датчика током.

Анализ метеорологического обеспечения и заводской технологии изготовления малогабаритных аэрологических радиозондов МАРЗ-2, а также погрешностей ручной автоматической обработки данных зондирования показывает, что суммарная погрешность измерения температуры и влажности при автоматизации получения статических характеристик преобразования (СХП) радиозондов МАРЗ-2 может быть уменьшена.

3. Проверка технических характеристик радиозонда МАРЗ – 2 с помощью КИПАС

Комплект измерительных приборов аэрологической станции (КИПАС) состоит из:

1. Стенд

2. Резонансный частотомер – меряет сверхвысокую частоту

3. Электронно-счетный частотомер – меряет низкую частоту (метеочастоту) F_t, F_u

4. Осциллограф

5. Запросчик – играет роль радиолокационной станции

Порядок выполнения проверки технических характеристик МАРЗ-2 с помощью комплекта измерительных приборов аэрологической станции (КИПАС):

Соединить приборы согласно функциональной схеме. Включить источник питания 28 В, 9,5 В. Включить «СЕТЬ» на стенде СП-1М (для подачи напряжения — 15 В на усилитель 800 кГц). Включить приборы Ч2-9А, Ч3-3З, С1-76 в положение «ВКЛ». Тумблеры «I95 В», «6,1 В», «2,4 В»  на стенде СП-1М включать категорически  запрещается!

Произвести измерения несущей частоты СВЧ-АГ радиозонда с помощью частотомера-волномера Ч2-9А (Ч2-8). Вращая ручку настройки частотомера, добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра. С помощью градуировочной таблицы перейти от делений частотомера к частоте передатчика радиозонда. Радиозонд годен, если отклонение несущей частоты от значения 1782 мГц не превышает ±8 мГц.

Установить переключатель рода работы на стенде СП-1М в положение «СЧЕТ». На частотомере Ч3-33 снять значение частот F_оп, F_t, F_u, F_t, F_оп. Проследить последовательность подключения опорного сопротивления датчиков температуры и влажности. Сравнить значение опорной частоты F_оп по частотомеру с F_оп, приведенной в таблице СХП. Радиозонд бракуется, если отсчитанные значения превышают 2080±80 Гц для радиозонда МАРЗ-2-1, и 1080±40 Гц для радиозонда МАРЗ-2-2. За время не более 30 с на табло частотомера после F_оп должна появиться частота температуры F_t, а после F_t — частота влажности F_u. Если по истечении 30 с частоты F_оп, F_t, F_u не появляются, то радиозонд бракуется.

Установить переключатель на стенд СП-1М в положение «МОДУЛЬ», отключив датчик температуры и влажности от радиоблока. Произвести отсчет частоты ГСН на частотомере Ч3-33. Радиоблок годен при значениях частоты, не превышающих 800 кГц.

Установить переключатель на стенде СП-1М в положении «ОТВЕТ». Включить запросчик 3-2М. На осциллографе С1-76 ручкой стабилизации добиться устойчивого ответного сигнала на экране. Проверять качество и глубину провала ответной паузы, которая должна быть не менее половины амплитуды сигнала радиозонда.

Поставить переключатель на стенде СП-1М в положение «ПАУ3А». Зарисовать форму сигналов на осциллографе С1-76. Определить длительность импульсов и пауз метеопараметров.

Функциональная схема проверки радиозондов МАРЗ-2:

а) – схема подключения радиозонда МАРЗ-2 к КИПАС;

б) – соединение датчиков температуры, влажности, радиозонда и источников питания с радиозондом МАРЗ-2.

4. Контрольная выдержка радиозонда МАРЗ перед выпуском

Необходимые приборы для проведения контрольной выдержки радиозонда:

1. радиозонд типа МАРЗ-2;

2. аспирационный психрометр;

3. барометр-анероид;

4.  психрометрические таблицы;

5.  КИПАС.

Порядок выполнения:

1. Установить радиоблок на стенде поверки.

2. Включить источники питания радиозонда.

3.  Подключить вилку источника питания (28 В; 9,5 В) к радиоблоку радиозонда МАРЗ, подключить датчики температуры и влаж­ности к радиоблоку (см. рис. Функциональная схема проверки радиозондов МАРЗ-2)

4. Включить «СЕТЬ» на стенде СП-1М.

5. Установить переключатель рода работы на стенде СП-1М.

6. Включить частотомер Ч3-33.

7.  Смочить батист аспирационного психрометра, включить вен­тилятор аспирационного психрометра.

8.  Через 3-4 минуты произвести отсчет показаний аспирацион­ного психрометра (t_сух, t_см).

9.  Произвести отсчет 2-3 циклов коммутации значений частоты (F_on,F_t,F_u) на частотомере Ч3-33.

10. Занести данные в таблицу.

11.  Снять значения давления по барометру-анероиду и ввести поправки.

12.  Определить относительную влажность по психрометриче­ским таблицам.

13.  Вычислить Y_t и Y_u no формулам: Y_t = F_t / F_on ; Y_u- F_u / F_on. По вычисленным значениям Y_t и Y_u параметров, с помощью градуировочного графика СХП (таблицы СХП) определить измеренные радиозон­дом значения температуры (t_p/3) и относительной влажности (и_р/3).

14.  Провести расчет значений температуры (t_p/3) и относитель­ной влажности (U_р/3), используя соответствую­щие коэффициенты из этикетки радиозонда с помощью ЭВМ. Сравнить результаты измерения температуры, выполненные графически (по таблицам СХП) и с помощью формул. Занести в таблицу полученные данные и проанализировать результаты.

15.  Вычислить разность температуры  (Δ_t) и относительной влаж­ности (Δ_u), измеренных радиозондом и метеорологическими прибо­рами. Сравнить их с допустимыми значениями: | Δ_t | <1,2°С; | Δ_u | <20%. При соблюдении данных условий радиозонд годен для температурно-ветрового зондирования, в противном случае он бракуется.

5. Список используемых литератур

1.Белов Н. П. «Метеорологические радиолокационные станции», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1976

2.Осипов Ю. Г. «Руководство к лабораторным работам 1-3 “Система зондирования Метеорит МАРЗ-2”», Российский Государственный ГидроМетеорологический Университет, Санкт-Петербург, 1998

3.Киселев В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы). Учебник. – СПб., изд. РГГМУ, 2004. – 429 с.