Способ определения температуры атмосферы

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ Х

РЕСПУБЛИН

3<511 С 01 W 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, :;Н АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБУ (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕИПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРЫ путем посылки в исследуемую область атмосферы акустического импульса, приема рассеянного акустического излучения и определения искомой температуры по времени распространения акустического излучения по трассе, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, посылаемый акустический импульс фокусируют вдоль прямой линии, ортогональной направлению посылки, а принимают излучение в телесном угле 0CQ 7c.f где Щ,- заданная угловая расходимость сфокусированного посланного акустического излучения в плоскости, ортогональной линии фокусировки.

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3255214/18-10 (22) 03.03.81 (46) 15.07.83. Бюл. N 26 (72) 8 .И. Сидько-и Л.Г. Шаманаева (71) Институт оптики атмосферы Томского филиала Сибирского отделения

АН СССР и Харьковский институт радиоэлектроники (53) 551.508.29(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

II 762575, кл. G 01 W 1/00, l979.

2. Красненко Н.П. Акустическое зондирование температурного профиля атмосферы. У 8сесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. - Тезисы докладов.

Ч. III СО АН СССР. Институт оптики ,атмосферы. Томск, 1978, с. 101-103 (прототип).

„„SU„„1029118 А

10291

45

Изобретение относится к измерительной технике в метеорологии.

Известен способ определения температуры атмосферы путем посылки на заданную высоту лазерного импульса, создающего пробой в воздухе, приема возникшего акустического импульса и определения искомой температуры по интервалу времени между посылкой лазерного и приемом акустического импульса 1 1).

В известном способе предполагают, что акустическая энергия возникает в месте пробоя одновременно с посылкой лазерного импульса. Это влияет на точность определения искомого параметра.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения температуры атмосферы пу-тем посылки в исследуемую область атмосферы акустического импульса, приема рассеянного акустического излучения и определения искомой температуры по времени распространения акустического излучения по трассе $2).

Однако данным способом невозможно измерить температуру атмосферы с приемлемой точностью иа-за малого пространственного разрешения.

Целью изобретения является повышение точности определения температуры эа счет уменьшения угловой расходимости передающей и приемной антенн.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения температуры атмосферы путем посылки в исследуемую область атмосферы акустического импульса, приема .рассеянного акустического излучения и определения искомой температуры по времени распространения акустического излучения по трассе, посылаемый акустический импульс фокусируют вдоль прямой ли нии, ортогональной направлению посылки, а принимают излучение в телесном угле ОаЮ ХЯ", где Щи - заданная угловая расходимость сфокусированного посланного акустического излуче" ния в плоскости, ортогональной линии фокусировки.

На фиг. 1 приведена геометрия бис татической зондирующей систеьаю с углами наклона фя и- фр передающей и приемной антенн, угловой полушириной диаграмм направленности Щ, и " и высотой расположения рассеиваюшего

18 1 объема (пространственное разрешение ее ограничено размером объема рассеяния, заштрихован); на фиг. 2 - схема зондирования атмосферы; на фиг. 3блок-схема устройства, реализующего предложенный способ.

Из геометрии фиг. 1 следует

R = R4- Rp, >R =

Скорость С распространения звука в атмосфере связана с температурой известной зависимостью

С 20.05 T, . (2)

5 где Т " абсолютная температура, К.

Поэтому, зная время прохождения звуком известного расстояния R, можно определить абсолютную температуру

Т из соотношения

2Î СЯ- R2

20рОф. 02,0025t

Как следует из (3), относительная среднеквадратичная погрешность измерения -температуры, обусловленная погрешностью определения длины трассы распространения, имеет вид

Для определения температуры с приЗ0 емлемой погрешностью требуется с высокой точностью определять длину трассы распространения . С учетом малости углов 3 и "р можно записать

1 (К) = ("Иди) + (R+p) (5)

Тогда, используя (4), ®и и) + "р 3"р) ф (6) (R.n+ R,). или учитывая, что

R H/81пф,;

Йр Н/s in фф (7) проводят упрощение

Я. фи 1и фР+ fP+$$ ФИ

Д . =

>> Фи+Ми ф

Р

В предлагаемом способе угловая рас". ходимость передающей и приемной ан-. тенн уменьшается путем фокусировки посылаемого излучения вдоль прямой, ортогональной направлению излучения и приеме рассеянного излучения в малом телесном угле ОФЯ. ТСФ 4 ъ 2

Ввиду того, что погрешность gT измерения тем}пфатуры аддитивно зависит от углов поля зрения Я, и ф пе- редатчика и приемника предположим, что и Э"р Т (9) 10291

Тогда (8) имеет вид д 2 т

Телесный угол приемника

g =фут. (10} (11)

5 т.е.

К„= 4Я/Г (123 откуда следует, что для обеспечения допустимой погрешности измерения температуры должно выполняться соотношение 2

10 т 4 (13)

Телесный угол приема излученияЯ должен быть выбран в диапазоне.

Оса «ж „, . (14) где у,- угловая расходимость сфокуси- 5 рованного посланного излучения в плоскости, ортогональной плоскости фокусировки.

В результате фокусировки посылаемого излучения вдоль прямой, ортогональной направлению излучения, совпадающего с осью Х, например ОУ, формируется веерообразная диаграмма направленности с различной угловой шириной в плоскостях X0Z и ХОУ, причем

Я „сс Ъ, Если теперь антенну приемника выбрать такой, что для нее

0 (ф У2, т.е. сформировать остронаправленную диаграмму, можно уменьшить объем рассеяния, заштрихованный на этой фигуре, и таким образом существенно увеличить пространственное разрешение бистатической зондирующей системы. 1

Посылаемое излучение фокусируется . 35 вдоль прямой линии, ортогональной направлению распространения с помощью цилиндрической акустической линзы, в фокальной плоскости которой помещены линейно. расположенные электроакустические преобразователи. Цилиндрическая линза, помещвемая перед антенной передатчика, может быть выполнена в виде объема, заполненно го углекислым газом., ограниченного ,тонкой коллодиевой пленкой, натянутой на металлический каркас. Вместе с тем, если сферическую линзу установить и на передатчик, то такую бистатическую систему трудно сориентировать. Кроме того, ветровой снос звукового луча и атмосферная рефракция, приводящая к смещению сфокусированного излучения из поля зрения антенны приемника, сильно влияет на работу такой системы. Фокусировка же посылаемого излучения вдоль прямой позволяет устранить указанный недостаток, облегчает ориентировку, не

18 4 уменьшая пространственного разрешения. Выбор остронаправленной антенны приемника обусловлен тем, что уровень окружающих шумов для приемной. системы акустического локатора минимален вблизи зенита и максимален rIpH малых углах места, так как он в основном.обусловлен деятельностью человека. При выборе остронаправленной диаграммы приемника..увеличивается отношение сигнал/шум на входе приемной системы, что позволяет более на" дежно регистрировать время прихода сигнала по превышению на приемнике порогового уровня. Максимальный положительный эффект достигается в том случае, когда линия фокусировки ортогональна плоскости расположения приемника и передатчика.

Работа способа осуществляется с помощью устройства, которое включает цилиндрическую акустическую линзу 1, формирующую веерную диаграмму направленности излучателя, систему 2 линейно расположенных электроакустических преобразователей, помещенных в фокальной плоскости линзы (в качестве которых могут быть использованы серийно выпускаемые громкоговорители 10 ГД-35), устройство 4 синхронизации, сигнал которого управляет работой задающего генератора 5 акустических колебаний, подключенного через усилитель мощности 6 к системе электроакустических преобразователей 2, и измерителя, временных интервалов 7 (e качестве которого может быть использован частотомер ф5041), на второй вход которого поступает сигнал с акустического приемника 8, содержащего усилитель низ.кой частоты с пороговым устройством (в качестве которого может быть использован компаратор напряжений на базе микросхемы 521 САЗ), подключенного.-к электроакустическому преобразователю 9 приемной акустической антенны (в качестве которого может быть использован серийно выпускаемый микрофон МД-66), помещенному в фоку-. се сферической линзы 10. Сигнал с выхода измерителя временных интервалов 7, пропорциональный разности времени посылки и приема сигнала, поступает на вычислительное устройство

11(которое может быть выполнено на базе ЭВИ Электроника НЦ-03}, где по формуле (3) определяется искомый параметр.

S 1029

Устройство синхронизаЦии 4 запускает генератор 5 акустических колебаний, формирующий электрический импульс звуковой частоты, который усиливается усилителем мощности 6, и с помощью электроакустических преобразователей 2 излучается в виде акустического импульса, который фокуси " руется вдоль линии, ортогональной направлению распространения, цилинд-. 10 рической линзой 1 . Одновременно устройство синхронизации запускает из" меритель временных интервалов 7. Рассеянное в малом телесном угле,Я: электроакустическое излучение прини- 1S мается при помощи сферической линзы

118 Ф.

10 и электроакустического преобразователя 9, усиливается в акустическом приемнике 8, который при превышении принимаемого сигнала порогового уровня вырабатывает. импульс остановки, измерителя временных интервалов 7, с выхода которого сигнал, пропорциональный времени распространения t акустического излучения, по трассе поступает на вычислительное устройство 11, где происходит определение искомого параметра по формуле (3).

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения температуры с приемлемой погрешностью.

1029118

° вюзи евою Малюю юю е Ф

Заказ 4972/44

Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб;, д. 4/5

В Ю4О Ю» 44ЮФ

Филиал llAn "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель 8. Агапова

Редактор А. Гулько Техред К.Иыцьо Корректор А. Ильин,