Разработанный в Израиле алгоритм селекции радиоэхо птиц уже много лет в периоды их массовой межконтинентальной миграции успешно применяется для обеспечения безопасности полётов транспортной и боевой авиации. Получаемые в режиме текущего времени каждые 20 минут карты радиолокационной орнитологической обстановки позволяют руководителям полётов «разнести» во времени и в пространстве трассы миграции перелётных птиц и воздушных судов. Руководители полётов при планировании и управлении движением воздушных судов учитывают фактическую орнитологическую обстановку.
Тем не менее, при определённых метеорологических условиях алгоритм распознавания радиоэхо птиц всё же пропускает некоторое количество ложных сигналов, которые формируются мелкокапельными облаками и атмосферными неоднородностями.
В настоящей работе предлагается использовать дополнительные признаки радиоэхо, которые повысят точность селекции полезных сигналов.
Базируются эти признаки на использовании поляризационных характеристик отражённых сигналов.
1. Предисловие и постановка задачи
Радиолокационная орнитологическая система на базе радиолокатора МРЛ5 (Dinevich, L., Leshem, Y., 2007; Л. Диневич, Й. Лешем,2008; Dinevich L., Leshem Y., Pinsky M., Sterkin A., 2004) позволяет выполнить мониторинг межконтинентальных перелётов больших масс птиц в реальном времени. У такого мониторинга есть две цели.
Орнитологам важно знать траектории миграции различных видов птиц в различные времена года и суток. Важными являются данные о большой концентрации мигрантов над различными районами Страны, о высотах, направлениях и скоростях их движения. Получить такую информацию с помощью традиционных способов наблюдения за птицами не возможно. Системные радиолокационные данные позволяют получить вышеуказанные характеристики полётов птиц, а так же установить зависимость их миграции от погодных ситуаций в любое время суток.
Не менее важной целью разработки радиолокационной орнитологической системы является учёт её оперативных данных для совместного безопасного использования воздушного пространства Страны, как мигрантами, так и авиацией и, в первую очередь, боевыми самолётами. Орнитологическая обстановка принимается во внимание при планировании полётов.
Найденные для различных атмосферных отражателей признаки радиолокационных сигналов и разработанный на их основе алгоритм позволяет распознавать радиоэхо от птиц и в оперативном масштабе времени строить векторные поля их движения, в том числе по высотам.
Построенные на основе разработанных алгоритмов радиолокационные орнитологические карты содержат следующую информацию:
• общее количество радиоэхо птиц в воздухе, в том числе мигрантов,
• значения их максимальной и минимальной скорости полёта,
• количественное распределение всех радиоэхо птиц по высотам,
• спектры скоростей и направлений полёта птиц по данным движения их радиоэхо, в том числе вектор суммарного направления,
• векторные поля движения радиоэхо птиц на фоне метеорологической обстановки и с привязкой к местности,
• распределение видов птиц по характеру движения их радиоэхо (степени прямолинейности и равномерности),
• об облаках, осадках, невидимых визуально атмосферных образованиях и их параметрах, в том числе об их эволюции во времени.
Радиус таких радиолокационных орнитологических полей относительно места размещения радиолокатора зависит от размеров птиц (Dinevich, L., Leshem, Y., 2007).
На основе скоростных возможностей выбранных компьютеров, минимизации времени, необходимого для обработки большого количества радиоэхо, максимальный радиус наблюдения системы принят 60 км.
Те не менее, выполненные в Молдавии в конце 80-х годов совмещённые, визуальные и радиолокационные (в многолетнем эксперименте участвовали несколько МРЛ5 одновременно) наблюдения, позволяли уверенно прослеживать радиоэхо больших стай аистов с удаления, превышающего 100 км и сопровождать их полёт на протяжении трёх и более часов.
Визуальная часть этого эксперимента обеспечивалась группой исследователей АН Молдавии под руководством доктора И. Гани. Радиолокационная часть эксперимента обеспечивалась группой специалистов под руководством инженера по радиолокации В. Диневича (Ganja I., Zubkov M., Kotjazi M., 1991).
Потенциал МРЛ5 по расчётам (Dinevich, L., L. Kaplan, 1999) и при наблюдениях на экране радиолокатора позволяет увидеть радиоэхо одиночного аиста (аист, журавль, пеликан и т. д.) на удалении 100 км, если высота его полёта не менее 700м (Ganja I., Zubkov M., Kotjazi M., 1991; Dinevich L., Y. Leshem, O. Sikora, 2001). Для стай птиц размером с воробья дальность их обнаружения может превышать 30, а нередко и 40км. Согласно расчётам потенциал МРЛ5 позволяет увидеть одну птицу размером с воробья на удалении 8 км. Однако, воробьиные птицы, как правило, не летают поодиночке.
Опыт многолетнего использования алгоритма распознавания радиоэхо птиц (Dinevich, L., Leshem, Y., 2007) показал надёжность их селекции на фоне местных холмов, летательных аппаратов и большинства облачных образований.
Наиболее проблематичными для алгоритма селекции радиоэхо птиц (Dinevich, L., Leshem, Y., 2007; Диневич Л., Лешем Й., 2008) являются слабые и сильно флюктуирующие отражения от мелкокапельных облаков, зон диссипации облачных образований, точечные радиоэхо насекомых, а так же радиоэхо продольных и крючковатых полос атмосферных неоднородностей. Природа таких атмосферных неоднородностей хорошо проанализирована в брошюре А. Черникова «Радиолокационные отражения от ясного неба» (Chernikov A., 1979).
При наличии в атмосфере таких отражателей нередко на орнитологических картах после селекции радиоэхо на основе разработанного алгоритма остаются ложные сигналы (помехи). Признаками, дополняющими разработанный в Израиле алгоритм селекции радиоэхо птиц, могут быть поляризационные, доплеровские и флюктуационные характеристики радиоэхо.
В данной работе представлено обоснование селекции радиоэхо птиц на основе их поляризационных характеристик и величин эффективной площади рассеяния (s) .
2. Примеры ложных сигналов, принимаемых радиолокационной системой за радиоэхо птиц
На рис. 1-5 представлены для примера несколько орнитологических карт за несколько различных дней. Все обозначения на картах идентичны и детально представлены в (Dinevich, L., Leshem, Y., 2008; Dinevich, L., 2009).
В ряде случаев эти вектора создаются ложными (не радиоэхо птиц) сигналами. Проанализируем эти карты.
На рис. 1 наблюдаем радиоэхо облаков, осадков и холмов (местников). Радиус обзора более 50 км. В правом нижнем углу рисунка цветами обозначены уровни радиоэхо. Самое слабое радиоэхо обозначено синими цветами. Фактическая погода в момент получения данной карты – конвективная облачность и прерывистые ливневые дожди, ветер умеренный северо-западный. Облака медленно смещаются в юго-восточном направлении. Если в такой атмосфере птицы есть, то их может быть очень мало.
Рис. 1
Рис. 2
На рис. 2 та же карта, которая представлена на рис. 1, но после селекции радиоэхо на основе алгоритма распознавания радиоэхо птиц. В этом случае параметры селекции выставлены на сверхчувствительном уровне (смотри Dinevich, L., Leshem, Y., 2008). Т.е. на уровне, который оставляет для анализа даже радиоэхо шумов. В результате, фильтры алгоритма пропустили радиоэхо и построили вектора в зонах краёв или областей диссипации облаков. Можно предположить, что лишь часть этих векторов принадлежит радиоэхо птиц.
На рис. 3 представлена та же карта, но после селекции радиоэхо птиц на менее чувствительном уровне. На этой орнитологической карте векторов значительно меньше, чем на карте 2. Она объективнее отражает орнитологическую ситуацию. Заметим, что для получения последней карты пришлось установить параметры селекции радиоэхо на менее чувствительном уровне. Следовательно, при этом часть радиоэхо очень мелких птиц мы теряем.
Рассмотрим рис. 4 и 5.
Рис. 3.
Рис. 4
Рис. 5
На рисунках векторами обозначены движения птиц в дневное время.
В основном вектора либо распределены по всей площади карты, либо формируют длинные полосы. Вектора имеют чётко обозначенные направления миграции для соответствующего периода года. В правом нижнем углу каждой карты представлен спектр скоростей, а так же средние скорости и направления миграции.
Области 1, 2 и 3 на обеих картах характеризуются некой совокупностью векторов с отличающейся от остальных векторов хаотичной ориентацией и с большой концентрацией на единицу объёма. Такие области, как правило, совпадают с визуально наблюдаемыми слабыми конвективными или слоистыми облачными образованиями. Чаше всего они развиваются в под инверсионном слое (1 -1,5 км), но порой и ниже за счёт больших градиентов температуры и влажности. В Израиле такие атмосферные микро фронты возникают в долинах холмов и на границах море – суша. Причём полосы микро фронтов, возникающих за счёт процессов на границе море – суша смещаются в течение дня от моря всё глубже в сторону континента. Используемые в алгоритме признаки принимают сигналы в зонах таких сильно флюктуирующих слабых радиоэхо облаков за радиоэхо птиц и формируют ложные вектора. Характерной особенностью таких векторных образований является их большая плотность и хаотичность направлений. Разработанный в Израиле алгоритм способен их различать. Однако, как показано в описании рис. 1-3 для этого приходится уменьшать чувствительность метода и естественно в ряде случаев терять некоторую часть полезных радиоэхо.
Такие же проблемные зоны нередко возникают в областях видимых и невидимых атмосферных образований.
На рис. 6 (а, б) наблюдаем радиоэхо визуально не видимых атмосферных неоднородностей. Такие атмосферные неоднородности возникают в Израиле часто в нижнем под инверсионном слое на высоте 1 – 1,5 км. Нередко их можно наблюдать в утренние часы на уровнях долин между холмами. Сплошные большие и малые пятна на рисунке радиоэхо холмов. Полосы различной длины, а иногда и не прямолинейной формы – радиоэхо чаще всего не видимых глазом атмосферных образований.
Рис. 6
В книге «Руководство по производству наблюдений и применению информации с не автоматизированных радиолокаторов МРЛ-1, МРЛ-2, МРЛ-5» (РД 52.04.320 -91), С – Пб, Гидрометеоиздат, 1993, 357с (раздел 2.10.8.2 Аномальное радиоэхо в виде тонких линий и полос) отмечается:
1. Радиоэха такого типа перемещаются впереди интенсивных гроз и связываются с линией ветрового сдвига. В районе сдвига может повышаться концентрация частиц пыли и пыльцы, происходит резкое увеличение градиента коэффициента преломления.
2. Многие исследователи отмечали подобные тонкие линии в отсутствие облаков, связывая их с зонами ветрового сдвига. Особенно часто их наблюдают в прибрежных районах и легко связывают с бризом. Радиус обнаружения тонких линий в этих случаях редко превышает 50 км, а высота 1 – 2 км.
3. Радиоэха в виде полос в радиусе до 40 км могут давать перистые облака, однако они расположены значительно выше, чем летают птицы.
4. Дополнительно к этим случаям нередко в утренние часы радиоэхо в виде длинных полос могут создавать неоднородности, возникающие за счёт зон повышенной влажности между холмами. Возникают они либо за счёт ветровой тяги в нижнем приземном слое между холмами морского насыщенного влагой воздуха с моря, либо за счёт утренней приземной конвекции насыщенного, охлаждённого ночью в долинах между холмами, воздуха. Как правило, такие полосы радиоэхо исчезают после солнечного прогрева приземных слоёв в утренние часы.
Как и в предыдущих случаях используемые в алгоритме признаки принимают сигналы радиоэхо в случаях 1, 2, 4 за радиоэхо птиц и формируют ложные вектора. Характерной особенностью таких векторных образований тоже является их большая плотность и хаотичность направлений. Представленный в (Dinevich, L., Leshem, Y., 2007, 2008) алгоритм, как и в предыдущих случаях, способен выделять ложные вектора от векторов, создаваемых движением птиц. Однако, как показано в описании рисунков 1 – 3, для этого приходится уменьшать чувствительность метода и естественно в ряде случаев, как сказано ранее, терять некоторую часть полезных радиоэхо.
Нередко ложные сигналы в ближней зоне формируются радиоэхо боковых лепестков (см. рис. 7).
Рис. 7
На рис. 7 представлено вертикальное сечение радиоэхо большой стаи птиц в дневное время на экране радиолокатора. Радиус обзора 50 км. Общая длина стаи превышает 100 км. На экране видна лишь половина её длины в одном направлении. Высота радиоэхо 800 – 1200 м. Максимальная концентрация радиоэхо на высоте 800 м. Радиоэхо птиц выглядит в виде вытянутых по вертикали коротких полосок. Длина таких полосок зависит от величины диаграммы направленности антенны и мощности самого радиоэхо, т. е. от отражающих способностей цели. В одной и той же диаграмме длина полоски радиоэхо одного или группы аистов и одного или группы воробьиных будет разная. Обращают на себя внимание некоторая часть слабых радиоэхо в ближней зоне на высоте существенно превышающей 1200 м. Эти радиоэхо сформированы сигналами от местников боковым лепестком и ошибочно алгоритмом приняты за радиоэхо птиц.
Для селекции ложных сигналов, не имеющих отношения к радиоэхо птиц (рис. 1 – 7), необходимо ввести в алгоритм распознавания дополнительные признаки.
Такими признаками могут быть поляризационные характеристики радиоэхо.
3. Поляризационные характеристики радиоэхо
Из основного уравнения радиолокации (Dinevich,L., L.Kaplan, 1999) следует, что дальность обнаружения одиночных целей увеличивается с повышением мощности передатчика, коэффициента усиления антенны, уменьшения мощности собственных шумов приёмника РЛС и увеличением σ цели.
При измеренных значениях R до цели и мощности отражённого сигнала Pτ можно рассчитать значение эффективной площади рассеяния (ЭПР) одиночной цели σ.
.
По этой формуле можно рассчитывать эффективную площадь рассеяния одиночной птицы, при этом значения K1 и K2, при отсутствии атмосферных осадков, можно принять за единицу.
Исходя из физического смысла эффективной площади рассеяния, чем больше птица, тем больше значение σ.
В работах (Shupijatcky A. 1959; Chernikov A., Schupjatsky A. 1967) отмечается заметная зависимость ЭПР птиц от поляризации излучаемого и принимаемого сигнала и от их ориентации относительно излучателя радиолокатора. По данным этих авторов степень деполяризации радиолокационных сигналов от птиц составляет около -7÷ -9 dB. Для поляриметра с линейной поляризацией излучения и приёма деполяризация определяется, как отношение мощностей ортогональной и основной компонент отражённого сигнала. В случае излучения волн горизонтальной поляризации выражение для деполяризации можно записать в виде
∆Px = Pxy/Pxx или ∆Px (dB) = lgPxy/Pxx.
При излучении вертикально поляризованной волны выражение для деполяризации примет вид ∆Py=Pyx/Pyy. Здесь Pxx, Pyy, Pxy, Pyx – компоненты мощности принятого сигнала, где первый индекс означает вид поляризации при излучении, второй индекс – при приёме. При этом x и y обозначают горизонтальную и вертикальную поляризации соответственно.
В случаях по импульсного переключения поляризации излучения и приёма, при этом, сигналов той же поляризации можно рассчитывать величину дифференциальной отражаемости
dP= Pxx/ Pyy или dP = 10lg Pxx/ Pyy.
В работах (Shupijatcky A. 1959; Dinevich L., 1981; Dinevich L., Kapitalchuk I., Schupjatsky A. 1990, 1994) показано, что величины деполяризации и дифференциальной поляризации функционально связаны только с формой цели и её ориентацией в пространстве и не зависят ни от каких других параметров, в том числе диэлектрической проницаемости тела, ослабления сигнала на трассе и т. д. Используя две поляризационные компоненты ∆Px и dP, можно вычислить ориентацию птиц в пространстве и их форму, т.е. отношение длины к ширине.
Формула для расчёта угла ориентации птицы в пространстве (Shupijatcky A., 1959) имеет следующий вид
tg2θ = 2 dP ½ ΔP½ [dP ½–1];
здесь θ – угол ориентации птицы в пространстве.
Немало важной является возможность по величине дифференциальной отражаемости выделять сигналы от птиц на фоне отражений от различных атмосферных неоднородностей, природа которых не связана с образованием видимых гидрометеоров. Дифференциальная отражаемость от таких неоднородностей близка к 1. Дифференциальная отражаемость от птиц на много больше единицы. Это означает, что указанный признак отражённого сигнала может быть использован при фильтрации сигналов от такого типа атмосферных неоднородностей.
В работе (Dinevich L., Kapitalchuk I., Schupjatsky A., 1994) также показано, что дифференциальная отражаемость от мелкокапельных облаков приближается к 1. Это легко показать на следующем примере. По определению, дифференциальная отражаемость dP=10lg Pxx/Pyy. Форма мелких капель размером до 0,5 сантиметра всегда сферична (Литвинов И., 1974; Минервин В., Моргунов С., Шупяцкий А., 1971), т.е. радиусы взаимно перпендикулярных осей близки по своим значениям. Это значит, что Pxx ≈ Pyy. Отсюда Pxx/ Pyy ≈1 и соответственно dP≈1.
По наблюдениям (Dinevich L., Kapitalchuk I., Schupjatsky A., 1994) радиолокационная отражаемость мелкокапельных облаков не превышает 30 dBZ, что соответствует и предельному уровню отражаемости птиц.
Исходя из этого, сигналы с параметрами ≤30 dBZ и dP≈1 характерны для отражений от мелких капель и отфильтровываются, а сигналы с параметрами ≤30 dBZ и dP>>1, в дополнении с другими особенностями сигнала (подвижность в пространстве и т. д.) могут принадлежать птицам. Такой приём позволит наблюдать птиц на фоне мелкокапельных облаков.
Другим важным характерным признаком сигналов, позволяющим различить отражения от насекомых и различных взвешенных примесей в атмосфере (семена растений, частицы пыли и т. д.) от отражений от птиц является комплексный параметр, в котором присутствуют две компоненты сигнала – величина σ и её деполяризация
∆Px=Pxy/Pxx или ∆Px (дБ)=lgPxy/Pxx.
Для птиц и насекомых всегда характерно наличие деполяризации сигналов, составляющая в среднем 11-13 дБ (Shupijatcky A., 1959). Однако величина σ для птиц превышает значение 10-1 см-1, в то время как для насекомых она значительно меньше этого значения.
Очень важным преимуществом использования поляриметра является то обстоятельство, что поляризационные соотношения, при равных объёмах зондирования, не зависят от концентрации в них целей. А от этого зависит закономерность рассеяния – множественная эта цель или одиночная. Это обстоятельство очень важно для селекции радиоэхо птиц в зоне мелко – капельных облаков. Радиоэхо крупнокапельных облаков легко распознаётся выше описанным алгоритмом. Для птиц, сколько их ни было бы в радиолокационном объёме, они всегда ориентированы в пространстве. Мелкие же и поэтому сферические капли не имеют ориентации и распознаются на основе изложенных соотношений и соображений.
4. Расчёт количества птиц, их размеров и определение видов
Близкая к высокой надёжности селекция радиоэхо птиц на фоне других отражателей даёт возможность сделать следующий шаг в определении количества птиц, их размеров и видов.
В работе Dinevich, L., Leshem, Y., 2007 приведена оценка зависимости вероятности обнаружения радиоэхо птиц в связи с ослаблением сигналов с расстоянием R. Оценки были выполнены экспериментально по аналогии с задачей штормооповещения о ливнях и грозах. Для этих метеообъектов на большом объеме радиолокационных наблюдений были получены следующие данные о вероятности обнаружения (в %) кучево-дождевых (Сb) облаков с грозами и ливнями с помощью МРЛ в зависимости от расстояния.
Если полагать, что надежный радиус обнаружения R является таким, который обеспечивает высокую вероятность обнаружения указанных метеообъектов с надежностью не менее 90–10 %, то из таблицы следует, что для МРЛ значение R равно 90 –100 км. Из этого следует, что в пределах указанных радиусов за редким исключением МРЛ не пропускает ни одно из указанных опасных явлений. Аналогичным образом была решена задача обнаружения радиоэхо птиц. Однако для радиолокации птиц необходимо дополнительно принять во внимание коэффициент, учитывающий увеличение объёма облучения при переходе с принятой экспериментально дальности 100 процентного обнаружения, на дальность искомую, например 20, 30, 40, 50, 60 км.
К примеру, в алгоритмах расчётов можно принять следующие рассуждения:
1. Рассматривается экран МРЛ-5 и фиксируется, на каком расстоянии не обнаруживаются отражения от птиц. Например, на 53 снимках у нас предельное расстояние изменяется от 45 км до 60 км в азимутальном секторе, где нет углов закрытия. Можно считать, что во время перелета птиц они в этом секторе равномерно заполняют его за пределами дальности их обнаружения радиолокатором. Следовательно, с вероятностью 100 % мы видим птиц на удалении до 45 км во всех 53 случаях.
2. Предположим мы установили, что на расстоянии от 45км до 60 км в 53 случаях зафиксировано 175 радиоэхо птиц. Тогда можно построить табл. 2.
Таблица 1
|
Сb облака |
Расстояние от МРЛ, км |
||||||
|
Над МРЛ |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
|
|
С грозой % |
100 |
100 |
100 |
100 |
85 |
40 |
5 |
|
С ливнем % |
100 |
100 |
95 |
70 |
45 |
15 |
- |
Таблица 2
|
Обнаружение птиц на различном расстоянии от радиолокатора, км |
|||
|
45 – 50 |
51–55 |
56–60 и т.д. |
|
|
Количество радиоэхо (р/э) птиц |
95 |
50 |
30 |
|
% |
54,3 |
28,6 |
17,1 |
|
Всего обнаружено 175 р/э = 100 % |
|||
Такая таблица должна быть различна для разного типа птиц. Если не подразделять птиц по типам, то общую оценку вероятности можно сделать этим способом.
Однако нужно вводить коэффициент, учитывающий увеличение объёма облучения при переходе с дальности 45 км (дальность 100 % обнаружения всех птиц в нашем примере) на дальность 50, 60 км и.т.д.
В тех случаях, когда радиолокатор должен в оперативном режиме времени для целей авиации давать информацию о точном расположении птиц во времени и в пространстве следует рассчитывать два вида орнитологических карт, в том числе
– карту фактического расположения векторов радиоэхо;
– карту расчётную вероятностного расположения радиоэхо с учётом выше приведенных рассуждений.
На основе выполненных в нашем эксперименте оценок по приведенному способу (Dinevich, L., Leshem, Y., 2007) можно говорить о следующих результатах.
На уровне вероятности примерно 80 %, те виды ночных мигрантов, которые летят через Израиль, радиолокатор МРЛ-5 обнаруживает в радиусе до 30 км.
На удалении до 40 км можно обнаружить не менее 35-52 % этих мигрантов.
На большем расстоянии вероятность обнаружения птиц существенно уменьшается.
Следует заметить, что в ряде случаев, при пролётах в ночное время более крупных мигрантов высокая вероятность их обнаружения сохранятся и до 40км.
В отличие от ночных перелётов дневные мигранты в Израиле чаще всего летят ориентированными параллельно береговой линии полосами. Осенью и весной направления движения птиц в этих полосах меняются почти на противоположные. В дневное время летят птицы, как правило, по размерам большие, чем ночью (аисты, пеликаны, орлы, обыкновенные осоеды и т.д.). При перелётах они активно используют конвективные потоки в атмосфере, которые формируются за счёт неоднородностей подстилающей поверхности, горно-долинными и бризовыми факторами. Отражаемость (в dBZ) дневных мигрантов значительно выше, чем более мелких ночных птиц. Нередко длина таких полос достигает 100 – 120 км. Анализ данных наблюдений, проведенных в дневное время суток, показал, что МРЛ-5 обнаруживает не менее 80 % мигрантов на удалении до 30 км, то есть это близко к ночному обнаружению птиц. Не менее 60 % дневных мигрантов он видит на удалении до 60 км, что существенно превышает дальность обнаружения птиц в ночное время суток. Эти данные можно использовать при принятии оперативных решений в управлении движением самолётов. В краткосрочном прогнозировании орнитологической обстановки можно, зная направления и скорости полёта птиц, статистические данные поведенческих ситуаций, строить вероятностные карты для больших радиусов (80 и 100 км).
Можно оценивать обнаружение птиц с помощью МРЛ, используя уравнение радиолокации точечной цели:
, (1)
где σ – эффективная площадь рассеяния (ЭПР) целиЖ l – длина волны; Pt – импульсная мощность излучения; G – усиление антенны; L (дБ) – затухание в приемо-передающем тракте (в 2-х направлениях); R – расстояние до цели
С учетом размерностей параметров МРЛ соотношение (1) примет вид:
; (2)
где 7,4 · 10-13 – коэффициент, учитывающий: 1,46; (4p) 3; размерности в формуле (2)
ЭПР цели определяется следующим образом
, (3)
где ηпер и ηпр – величина КПД приемного и передающего трактов РЛС соответственно, которые мы всегда принимали равными единице.
Из уравнения (3) можно получить для МРЛ-5 с учетом его параметров (мы подставили параметры своего МРЛ-5) зависимость вида σмин [м2] = φ (R [км]). Эта зависимость позволяет оценить какая должна быть минимальная величина ЭПР (σмин) цели – птицы для того, чтобы МРЛ-5 обнаружил эту цель на данном конкретном расстоянии R
Для МРЛ-5
– на λ1 = 3,14 см → σмин [м2] = =2,0 × 10 –10 R4 [км]10 0,1n, (4)
– на λ2 = 10,15 см → σмин [м2] = =1,3 × 10 -10 R4 [км]10 0,1n.
Здесь множитель 100,1n учитывает превышение полезного сигнала над собственными шумами приемника. Если это превышение составляет n (дБ), например,
n = 7дБ, то 10 0,1n = 10 0,1х7=10 0,7 = 5,01.
В этом случае ЭПР птицы на λ1 = 3,14 см будет равна
σ[м2] = 2,0 × 10 –10 R4 [км] × 5,01.
Например, максимальное расстояние, на котором мы обнаруживаем птиц со значением σ [м2] = 2,0 × 10 –10 R4 [км] × 5,01, когда в приемный тракт не введено затухание (то есть 10 0,1n=10 0,1х 0=10 0=1) равно 45 км.
Для МРЛ-5 на
λ1 = 3,14 см σмин [м2] = 2,0 × 10 –10 R4 100,1n,
где ЭПР (σмин) есть то минимальное значение, которое необходимо для обнаружения птицы на различных расстояниях.
При R=45 км (R4 =454 = 4,1 х10 6)
Таким образом, на R= 45 км МРЛ-5 на λ1 = 3,14 см обнаруживает птиц, если
σмин = 2,0 × 10 –10 R4 =2,0 × 10 –10 × 4,1 ×106 = =8,2×10 –4 м2,
то есть если на экране МРЛ мы чуть – чуть прослеживаем радиоэхо птицы, то её ЭПР в этом случае приблизительно равна 8,2×10 –4 м2.
Так, на разных расстояниях, даже не вводя затухание в приемный тракт, можно оценивать ЭПР птиц.
При σмин < 8,2×10 –4 м2 на R= 45 км МРЛ-5 птиц не обнаружит.
Если на R= 45 км мы обнаружили птиц и они исчезают на экране при введении в приемный тракт, например, 12 дБ, что соответствует 100,1n = 101,2 =1,58 ×101, тогда на этом расстоянии
σмин = 8,2×10 –4 ×1,58 ×101=12,9·10 -3 = =1,3 ×10– 2 м2,
то есть ЭПР птицы не менее 1,3 ×10– 2 м2.
Если принять форму птицы, как эллипсоид вращения, то две поляризационные компоненты ∆Px и dP позволят вычислить отношением осей a/b (см. п. 2 настоящей статьи). Зная ЭПР (σ) и соотношение осей птицы можно определить её размер и вид.
5. Некоторые соображения относительно получения и применения поляризационных характеристик отражённых сигналов для повышения точности селекции радиоэхо птиц
По расчётным и экспериментальным оценкам (Dinevich L., 1981; Chernikov A., Schupjatsky A., 1967) для вычисления деполяризационных характеристик и дифференциальной поляризации радиоэха цели следует ортогональные характеристики отражённых сигналов осреднять не менее чем по 32 импульсам.
МРЛ-5 излучает 500 импульсов в секунду. Ширина диаграммы на λ1 = 3,14 см равна 0,5 градуса, для λ2 = 10 см равна 1,5 градуса.
Исходя из этого, для получения числа отражённых импульсов не менее 32 следует установить скорость вращения антенны не более одного оборота в минуту. При этой скорости антенна радиолокатора будет проходить сектор равный одному градусу за 60 с / 3600 ≈0,14 с.
В этом случае в каждом секторе (для обеих длин волн) передатчик успеет принять не менее чем 70 импульсов, т.е. по 35 импульсов и для горизонтальной, и для вертикальной составляющих сигнала. При этом для диаграммы 1,5 градусов (λ2 = 10 см) количество импульсов будет в полтора раза больше.
Если собирать для оценки орнитологической обстановки данные с 5 уровней (к примеру для диаграммы 1,5 градуса установить вертикальные углы антенны 00, 0,50, 1,00, 1,50, 2.50, 3,50, 4,50, 5,50), то время сбора данных составит 8 мин., т. е. 480 с.
Для получения данных с такого количества уровней, с применением ныне действующего алгоритма, необходимо затратить при скорости 6 оборотов в минуту, т.е. 10 секунд на один оборот ´8 оборотов ´8 уровней = 640 с (более 10 мин.). Ожидаемая точность селекции радиоэхо при применении поляризационных характеристик выше, чем при используемом алгоритме. Однако этот способ не даёт возможность построить вектора движения. Следует использовать оба способа селекции. На основе векторных орнитологических карт можно ориентироваться в динамике движения птиц, а на основе поляризационного способа оценивать точное размещение птиц в пространстве. При этом, рассчитывая значения s каждого радиоэхо можно оценивать размеры птиц и их виды (см. предыдущий параграф).
Выводы
Приведенные рассуждения показывают возможность повышения точности селекции радиоэхо птиц за счёт дополнения к разработанному в Израиле алгоритму новых признаков. Для реализации этих возможностей необходимо применить специальную аппаратуру, позволяющую излучать по импульсно электромагнитную энергию в вертикальной и горизонтальной плоскостях и аналогичным образом принимать их ортогональные компоненты. Развязка этих каналов должна быть не хуже, чем 28 dB. Такая развязка была достигнута в аппаратуре, которую автор использовал при разработке метода обнаружения града в облаках (Dinevich L., 1981). Применение последовательно один за другим обоих методов позволит не только повысить точность селекции радиоэхо птиц, оценивать их размеры и виды, но и строить векторную орнитологическую карту по различным уровням и в целом в заданном объёмном пространстве в радиусе не менее 60 км днём и 40 км ночью.
В итоге метод позволит получать несколько видов орнитологических карт, в том числе:
– орнитологические карты векторного распределения птиц по площади, разным высотным уровням и в формате 3d.
– те же вероятностные орнитологические карты векторного распределения птиц с интерполяцией на большие удаления от радиолокатора.
– орнитологические карты освобождённые от ложных сигналов с расчётными значениями ЭПР (σ), а, следовательно, с оценками размеров и видов птиц.
Автор искренне благодарит своего коллегу и соавтора в развитии темы радиолокации птиц, соавтора основных научных публикаций по этой теме проф. Иоси Лешема, а также руководство Тель-Авивского университета и Общества Охраны Природы Израиля за предоставленную возможность трудиться над данным исследованием.