ITU-R RS 1744 FRENCH-2006 Technical and operational characteristics of ground-based meteorological aids systems operating in the frequency range 272-750 THz《运行在272 MHz-750 MHz频段中基于.pdf

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1、 Rec. UIT-R RS.1744 1 RECOMMANDATION UIT-R RS.1744 Caractristiques techniques et oprationnelles des systmes du service des auxiliaires de la mtorologie bass au sol et fonctionnant dans la bande de frquences 272-750 THz (Question UIT-R 235/7) (2006) Domaine de comptence La prsente Recommandation dfin

2、it les caractristiques oprationnelles et techniques de systmes MetAids reprsentatifs fonctionnant dans la gamme de frquences optiques 272-750 THz. LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que les observations effectues dans la gamme de frquences 272-750 THz (ci-aprs dnomme gamme de f

3、rquences optiques) permettent dobtenir des donnes essentielles pour la recherche oprationnelle mtorologique et scientifique de latmosphre et du climat; b) que le spectre dans la gamme des frquences optiques est utilis par des systmes de capteurs mtorologiques actifs ou passifs ainsi que par de nombr

4、euses autres applications; c) que la technologie des capteurs mtorologiques utilisant le spectre optique volue constamment de manire offrir une prcision et une rsolution toujours meilleures des donnes de mesure; d) que les frquences dans la gamme des frquences optiques sont actuellement utilises pou

5、r les liaisons de donnes, les dispositifs de mesure de distance et pour dautres systmes actifs installs sur des plates-formes au sol ou sur des plates-formes spatiales et, quen raison du dveloppement et de laugmentation rapides du nombre de ces systmes, les brouillages entre les capteurs optiques mt

6、orologiques et dautres systmes optiques risquent daugmenter; e) que de nombreuses applications de services actifs ou passifs exploits dans la gamme des frquences optiques sont trs similaires celles actuellement utilises des frquences infrieures du spectre lectromagntique; f) quil est temps de rflchi

7、r la nature de mesures de protection et aux conditions de partage pour faire en sorte que les capteurs optiques mtorologiques au sol continuent de fonctionner sans subir de brouillage, recommande 1 aux oprateurs de systmes du service des auxiliaires de la mtorologie fonctionnant dans la gamme des fr

8、quences optiques de tenir compte, dans le choix des sites des observatoires et dans la conception des capteurs, du brouillage susceptible dtre caus par dautres metteurs optiques; 2 de tenir compte des paramtres techniques et oprationnels dcrits dans lAnnexe 1 dans les tudes des brouillages destinati

9、on ou en provenance de systmes optiques du service des auxiliaires de la mtorologie. 2 Rec. UIT-R RS.1744 Annexe 1 1 Introduction Les systmes capteurs mtorologiques bass au sol et utilisant du spectre dans la gamme des frquences optiques sont gnralement exploits entre 272 et 750 THz par divers servi

10、ces mtorologiques et par dautres organisations spcialises dans la recherche mtorologique et climatique. La prsente Annexe dcrit les caractristiques oprationnelles et techniques dun ensemble reprsentatif de capteurs mtorologiques mettant et recevant des signaux aux frquences optiques. 2 Clomtres lase

11、r 2.1 Caractristiques techniques des clomtres Un clomtre est un instrument mtorologique utilisant comme source mettrice un laser et comme source rceptrice un photodtecteur, qui sert mesurer et enregistrer le niveau des nuages dans latmosphre en mettant un rayonnement laser invisible. Il met une impu

12、lsion laser dans latmosphre et dtecte le retour de lumire rflchie par des objets se trouvant sur sa trajectoire. En mesurant le temps coul entre lmission et la rception, le clomtre calcule la hauteur des particules (par exemple des gouttelettes deau ou des cristaux de glace dans les nuages) et enreg

13、istre les donnes obtenues. Les clomtres sont des dispositifs de dtection et tlmtrie par la lumire (LIDAR, light detection and ranging). La hauteur des nuages est dtermine par linterprtation lectronique des signaux rtrodiffuss, partir de lquation LIDAR: ThhAcEhPr= e)(2)(20(1) o: Pr(h): puissance inst

14、antane reue de lattitude h (W) E0: nergie pulse effective, compte tenu de lattnuation optique (J) c: vitesse de la lumire (m/s) A: ouverture du rcepteur (m2) h: hauteur dorigine du signal rtrodiffus (m) (h): coefficient volumique de rtrodiffusion laltitude h, partie de la lumire qui est rflchie par

15、le clomtre (m1sr1) (sr = stradian) T: transmittance atmosphrique qui donne la puissance mise et rtrodiffuse en fonction de lextinction diverses altitudes entre lmetteur-rcepteur et la zone de rtrodiffusion; elle est gale 1 dans une atmosphre claire (attnuation nulle); ce terme, dans lquation ci-dess

16、us, permet de dterminer les signaux rtrodiffuss rsultant de linteraction des nuages et ceux rsultant dautres obstacles tels que le brouillard ou les prcipitations. 2.2 Clomtre reprsentatif du systme A Le systme A permet de mesurer la hauteur de nuages jusqu 3 700 m environ. Il est employ avec dautre

17、s quipements de surveillance mtorologique, tels que des capteurs de visibilit, de Rec. UIT-R RS.1744 3 prcipitations, de temprature ou de point de rose, dans le cadre doprations aronautiques ou dactivits de prvision du temps. Le systme A dtermine la hauteur des nuages en mettant un laser puls dans l

18、atmosphre et en mesurant le temps ncessaire aux signaux rtrodiffuss par des particules prsentes dans latmosphre pour atteindre un rcepteur adjacent au capteur. Une impulsion laser dune longueur donde nominale de 904 nm (331,8 THz) et dune dure de 150 ns est mise une fois par cycle de mesure. Les rel

19、evs sont ensuite traits toutes les 100 ns pendant 25,4 s, de manire enregistrer 254 valeurs pour chaque cycle de mesure, ce qui reprsente une rsolution de hauteur de 15 m sur 3 850 m. Pour chaque cycle, on obtient un profil de densit spatiale pour la colonne verticale de latmosphre situe juste au-de

20、ssus du clomtre, entre 0 et 3 850 m, que lon peut interprter pour en dduire les donnes relatives la hauteur et aux couches des nuages. On fait la moyenne des rsultats obtenus aprs plusieurs cycles afin de minimiser les effets de relevs errons. 2.2.1 Unit mettrice Une diode laser larsniure de gallium

21、 (GaAs) met des impulsions dune longueur donde de 904 nm une frquence de rptition comprise entre 620 Hz et 1 120 Hz. La frquence de rptition exacte est commande par un processeur de manire obtenir une puissance moyenne constante de 5 mW, avec un rglage en usine nominal de 770 Hz. Chaque impulsion la

22、ser est mise avec un angle de 30. On utilise une lentille prsentant un diamtre efficace de 11,8 cm et une distance focale de 36,7 cm pour focaliser le faisceau incident. Lclairement nergtique maximal est de 50 W/cm2, mesur avec une ouverture de 7 mm de diamtre. Lunit mettrice est quipe dun dispositi

23、f de contrle de la lumire permettant de dterminer la puissance de sortie du laser ainsi que la puissance dentre de la lumire du jour. On utilise une photodiode oriente vers le bas pour commander la puissance de sortie du laser. Lintensit de la lumire ambiante susceptible dinterfrer, une amplitude de

24、 crte, est bien infrieure lintensit dimpulsion laser; elle nintervient donc pas dans le calcul de la puissance laser. La puissance de crte du laser mis est de 40 W. Le signal de sortie de commande de la puissance laser, introduit dans la carte processeur principale, sert limiter la puissance mise mo

25、yenne 5 mW. On utilise une photodiode oriente vers le haut, prsentant une dflexion maximale par rapport la verticale de 5,7, pour commander la lumire entrante. Le signal de la photodiode est introduit dans le circuit obturateur solaire optionnel, examin ci-aprs, ainsi que dans le processeur principa

26、l des fins de commande. La sensibilit du dispositif de contrle de la lumire du jour est de 0,4 A/W environ. La puissance de la lumire solaire directe dans un ciel dont latmosphre est claire est de 1 200 W/m2environ et son intensit est gnralement de 1,1 mA. Lorsque le ciel est clair, lintensit du dis

27、positif de contrle de la lumire du jour est de 10 A; en intrieur, lintensit est gnralement infrieure 1 A. Les clomtres dont la conception est caractristique du systme A et qui sont installs dans des rgions tropicales une latitude comprise entre 30 nord et 30 sud sont quips dun obturateur solaire opt

28、ionnel mont sur lunit mettrice. Lobturateur protge le laser metteur des dommages que pourrait occasionner la lumire solaire directe. Il est install de faon recouvrir la lentille mettrice au moment o la lumire solaire directe peut pntrer lintrieur. Les clomtres quips dun obturateur solaire sont galem

29、ent munis dune entit rceptrice pour les zones tropicales, qui prsente un filtre et un bloc de montage diffrents de ceux qui sont installs sur lunit rceptrice standard. 2.2.2 Unit rceptrice On utilise une lentille dun diamtre effectif de 11,8 cm et dune longueur focale de 8,4 cm, pour focaliser les f

30、aisceaux rtrodiffuss par des particules dans latmosphre sur une diode avalanche 4 Rec. UIT-R RS.1744 au silicium. La sensibilit de la photodiode dpend de la temprature. Elle est compense par la commande fonction de la temprature dune tension corrective dans le circuit rcepteur, laquelle est rgle en

31、usine la temprature ambiante de manire obtenir une capacit de rponse nominale de 40 A/W. Un filtre interfrentiel dune largeur de bande de 50 nm, mont sur la lentille du rcepteur, vise empcher lmission de bruit de fond. Un filtre spcial est install sur les units quipes de lobturateur solaire optionne

32、l. 2.3 Clomtre reprsentatif du systme B Le mode de fonctionnement du clomtre reprsentatif du systme B est identique celui du systme A, quelques diffrences prs. Le systme B permet de dterminer la hauteur de nuages ainsi que des visibilits verticales une altitude atteignant 7 300 m; il peut en outre d

33、tecter trois couches de nuages simultanment et dterminer la prsence de prcipitations ou dautres obstacles la vision. 2.3.1 Unit mettrice Une diode laser larsniure de gallium et dindium (InGaAs) met des impulsions dune longueur donde de 905 5 nm (331,5 THz), pendant une dure de 100 ns et une frquence

34、 de rptition de 5,57 kHz. La puissance mise de crte est de 16 W, ce qui permet dobtenir une puissance moyenne de 8,9 mW. 2.3.2 Unit rceptrice Un filtre interfrentiel dune largeur de bande de 35 nm, centr sur 908 nm, est mont sur la lentille du systme B rcepteur afin dempcher lmission de bruit de fon

35、d. La capacit de rponse est rgle en usine 65 A/W 905 nm. TABLEAU 1 Caractristiques des clomtres Paramtre Systme A Systme B Laser et optique de lmetteur Puissance de crte 40 W 10-20 W Dure (niveau 50%) 135 ns (valeur type) 20-100 ns (valeur type) Energie (diamtre = 118 mm) 6,6 Ws Frquence de rptition

36、 620-1 120 Hz 5-10 kHz Source Diode larsniure de gallium (GaAs) Diode larsniure de gallium dindium (InGaAs) Longueur donde 904 nm 855/905/910 nm 25C Mode de fonctionnement Par impulsion Par impulsion Energie pulse mise 6 J 10% 1-2 J 20% Puissance moyenne 5 mW 5-10 mW (mesure sur lintervalle complet)

37、 Eclairement nergtique maximal 50 W/cm2avec une ouverture de 7 mm 170-760 W/cm2avec une ouverture de 7 mm Longueur focale du systme optique 36,7 cm 35-40 cm Diamtre effectif de la lentille 11,8 cm 6-15 cm Rec. UIT-R RS.1744 5 TABLEAU 1 (fin) Paramtre Systme A Systme B Divergence du faisceau de lmett

38、eur 2,5 mrad au maximum 0,4 - 0,7 mrad Transmittance de la lentille 90% (valeur type) 96% (valeur type) Transmittance de la fentre 97% (valeur type, fentre propre) 98% (valeur type, fentre propre) Optique du rcepteur Dtecteur Photodiode avalanche au silicium Photodiode avalanche au silicium Capacit

39、de rponse 40 A/W 904 nm 65 A/W 905 nm Diamtre de surface 0,8 mm 0,5 mm Filtre interfrentiel 940 nm Longueur donde centrale type de 908 nm Largeur de la bande passante 50% 880-940 nm (intervalle type) 35 nm 880-925 nm (intervalle type) Transmissivit du filtre 904 nm 85% (valeur type), 60% au minimum

40、80% (valeur type), 70% au minimum Longueur focale 15,0 cm Diamtre effectif de la lentille de rception 11,8 cm Divergence du champ de vision 2,7 mrad 0,66 mrad Transmittance de la lentille 90% (valeur type) 96% (valeur type) Transmittance de la fentre 97% (valeur type, fentre propre) 98% (valeur type

41、, fentre propre) Systme optique Distance entre lmetteur et le rcepteur 30,1 cm Distance laquelle le faisceau laser entre dans le champ de vision du rcepteur 30 m Distance laquelle le faisceau laser occupe 90% du champ de vision du rcepteur 300 m Qualit de fonctionnement Gamme de mesure 0 3 700 m 0 7

42、 300-13 000 m Rsolution 15 m 3-15 m Dure dacquisition 30 s, maximum (pour une distance de 3 658 m) 2-120 s Largeur de bande du systme (3 dB) 10 MHz avec un gain faible, 3 MHz avec un gain lev 3 MHz Tolrance de prcipitations Limite 7,5 mm par heure (distance limite) 6 Rec. UIT-R RS.1744 3 Capteurs de

43、 visibilit 3.1 Caractristiques techniques des capteurs de visibilit Les capteurs de visibilit servent calculer automatiquement un niveau de visibilit et donner une indication de ltat de visibilit (jour/nuit). La mthode mtorologique utilise gnralement pour mesurer la visibilit consiste dterminer la d

44、istance maximale laquelle une cible noire peut tre vue travers le brouillard/les nuages. Pour mesurer la porte optique mtorologique (visibilit), le capteur de visibilit utilise la technique de la diffusion vers lavant. Cette technique consiste mettre un rayon lumineux au moyen dun tube-clair au xnon

45、 travers une section de latmosphre (qui diffuse la lumire) et mesurer le niveau de lumire diffuse afin de dterminer laffaiblissement. Un coefficient dattnuation est calcul partir de la quantit de lumire diffuse reue du tube-clair au xnon. Ce coefficient est ensuite converti en une valeur de visibili

46、t. Aprs calcul, le capteur de visibilit affiche une indication de jour ou de nuit obtenue partir dun capteur de lumire ambiante. 3.2 Systmes de capteur de visibilit reprsentatifs Le capteur de visibilit reprsentatif permet dobtenir un coefficient dattnuation correspondant des visibilits une distance

47、 maximale de 16 km. Le dispositif jour/nuit indique un tat de jour ou de nuit en fonction du niveau de lumire ambiante pouvant atteindre 540 lux. Le capteur jour/nuit indique quil fait jour pour un clairement suprieur 32 lux et quil fait nuit pour un clairement infrieur 5 lux. Le passage du jour la nuit se produit lorsque lclairement passe de 32 5 lux ( mesure que lclairement diminue), alors que le passage de la nuit a