Способ измерения скорости ветра

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА путем одновременной посылки в заданную область атмосферы двух параллельИзобретение относится к области метеорологии и может найти применение для измерения профиля скорости ветра в атмосфере . Известен способ измерения скорости ветра путем посылки в заданную область атмосферы акустического излучения, приема рассеянного излучения, измерения допплеровского сдвига частогы принятого сигнала, по которому судят об искомом параметре . Данный способ имеет малую дальность, не превышающую 1 км. что обусловлено малой мощностью передатчика и большими потерями акустической волны за счет двойного прохождения трассы зондирования. Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ оптико-акустического зондирования атмосферы, по которому в исследуемую обных перекрывающихся пучков лазерного излучения с частотами, отличающимися на частоту звукового диапазона, и приема акустического импульса, отличающийся тем. что. с целью повышения точности измерений путем улучшения пространственного разрешения, принимают рассеянное исследуемой областью возникшее акустическое излучение под углом 180° 0h 270° относительно направления посылки лазерных пучков, измеряют частоту, соответствующую максимуму в спектре принятого сигнала , и по сдвигу этой частоты относительно разности частот посланных лазерных излучений определяют искомый параметр. СП с ласть атмосферы одновременно посылают два перекрывающихся на заданной высоте лазерных импульса, оси которых параллельны , разность частот которых равна частоте звукового диапазона, принимают возникО ший акустический импульс, измеряют интервал времени между посылкой лазерного ..Jl о и приемом акустического импульсов. Для определения величины и направления скорости ветра необходимо данным способом провести три измерения, разнесенные в горизонтальной плоскости. Данным способом невозможно за один цикл измерений получить высотный профиль скорости ветра, поскольку измеряемый параметр - интегральное время распространения звукового импульса от точки возникновения до приемника позволяет получить лишь среднее значение скорости ветра вдоль трассы распространения звукового луча.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

nr)s G 01 W 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 3378580/10 (22) 07.01.82 (46) 15.09.92. Бюл. N 34 (71) Институт оптики атмосферы .Томского филиала СО АН СССР (72) Н.H. Бочкарев, Н.П. Красненко и Л.Г.

Шаманаева (53) 551.508,5 (088.8) (56) Патент США N - 3889533, кл. G 01 W 1/06, 1975.

Авторское свидетельство СССР

N- 839386; кл. G 01 Ч/ 1/00, 1980. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ. СКОРОСТИ

ВЕТРА путем одновременной посылки s заданную область атмосферы двух параллельИзобретение относится к области метеорологии и может найти применение для измерения профиля скорости ветра в атмосфере.

Известен способ измерения скорости ветра путем посылки в заданную область атмосферы акустического излучения, приема рассеянного излучения, измерения допплеровского. сдвига частогы принятого сигнала. по которому судят об искомом параметре.

Данный способ имеет малую дальность, не превышающую 1 км, что обусловлено малой мощностью передатчика и большими потерями акустической волны за счет двойного прохождения трассы зондирования.

Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ оптико-акустического зондирования атмосферы, по которому в исследуемую об. Ы(, 1101017 Al ных перекрывающихся пучков лазерного излучения с частотами, отличающимися на частоту звукового диапазона, и приема акустического импульса, о тл и ч à Ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений путем улучшения пространственного разрешения, принимают рассеянное исследуемой областью возникшее акустическое излучение под углом 180 < б4 <2700 относительно направления посылки лазерных пучков., измеряют частоту, соответствующую максимуму в спектре принятого сигнала, и по сдвигу этой частоты относительно разности частот посланных лазерных излучений определяют искомый параметр. ласть атмосферы одновременно посылают два перекрывающихся на заданной высоте лазерных импульса, оси которых параллельны, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, принимают возникший акустический. импульс, измеряют интервал времени между посылкой лазерного и приемом: акустического импульсов. Для определения величины и направления скорости ветра необходимо данным способом провести три измерения, разнесенные в горизонтальной плоскости.

Данным способом невозможно эа один цикл измерений получить высотный профиль скорости ветра, поскольку измеряемый параметр — интегральное время распрост-: ранения звукового импульса от точки возникновения до приемника позволяет получить лишь среднее значение скорости ветра вдоль трассы распространения звукового луча.

1101017

Кроме того, длл измерения скорости ветра необходимо принимать возникшее акустическое иэлуче«»ие тремя разнесенными на значитель«»ые расстояния в гориэо»»тальной плоскости приемниками, что 5 усложняет измерения, Кроме того, f,ario8 пространственное разрешение с«»ижает точность измерения, Целью изобретения является повь»ше" ние точности измерений путем улучшения 10 пространственного разрешения.

Длл дости2ке«»ил поставленной цели B способе измерения скорости ветра путем одновременной посылки в заданную об1lGcTb атмосферы двух Г!Ц2аллель»»ых пеp8" 15 к ры вающихсл Гl уч ко в лаэср« » 0ГО иэл уч8l» ил с частотами, отличающимися на частоту эвуковОГО диа«lаэОна, и Г«Гэиемл BK ÑTè÷8ÑKoro импульса, принимают рассеянное исследуемой областью возникшее акустическое из- 20 лучение под углом 180 < 8««<

270 Относительно направле«»и«» посылки fIG38pных пу»»<ов, измеря»от частоту, соответству«ощую максимуму в спектре принятого сигнал=, и по сдвигу этой частоты OTHocl rerli «Io разности 25 частот посланных лазерных иэлу:е»»ий онределя»от искомый параметр, На фиг.1 приведеlio схема способа, где

1,2 — лазерные источники, 3 —: остронаправленная Bli feнна акустического приемника, 30

Блок-схема реализации данного способа показаHB «IG фиГ.2.

В атмосфере при одноьремен» 2м распростраие«»ии дl2ух кОаксиальных МОнОхрОматических лазерных иэлуче»»ий с близкими 35 . частотами Г« и f в области их перекрытия в результате взаимодействия лаэернь»х излу" чений будет генерироваться мощ»»ое акустическое излучение частоты Гк = fz - fl, «»вправление распространенил которого 40 перпендикулярно оси лазерных пучков, а фрон волны цилиндрический. Возникшал

iIB длительности h посылки лазерных излучений цилиндрическая акустическая волна попадает в точку А2 (см.фиг. I), ПГ2мещал аку- 45 стический прием« 1 и к H B pBccro51«» I»8 Р От лазерных передат»иков и ориентирул его остронаправленную анте»»ну в сторону от оси лазерных передатчиков, под углом

0 < О» < 90 ОтнОсительнО «»аГ»равле«;ия 50 посылки лаэсрных излучений, мола«о при-, нять «2ассея»«ное в точке А2 под углом G.=90 + Оакустическое излучение, В то же . время возникшее акустическое излучение, попадающее в То iK2» А2, 14MOGT пап «2ав»ление

»..г имеет направление распростране«»ил, перпендикулярное оси лазерных пучков. Полный же угол между направлением посылки и приема оказывается равным 6, + 90 и лежит и пределах 180 < O < 270 . Переда»ощая и приемнал диаграммы направленности в предлагаемом способе никогда не пересекаются и могут только наложиться при 51"" " 00

Врсмл распространенил рассеянного на высоте tl акустического излучения от места его воз«»икновения (точка А« фиг.1) до приемника можно записать как:

А1A2+ Ар Аз

Со

= (й + h tg Й + h/sif1 О )/C»2 (1) где С» — скорость звука, определяемая как

Со =-,20,05 1 1; (2)

Где Т вЂ” абсолютнал температура.

Временем распространения лазерных излучений or А до А1 можно пренебречь, так как скорость света много больше скорости звука, 0существлля временное стробировлние принлтого акустического сигнала, мож-. но принимать сигнал, рассеянный с различных в lcor h, Измеряя частоту принятого акустического сигнала 4», можно определить составляю«дую вектора скорости ветра на данной высоте h, направленную по биссектрисе угла между иаГ»равлением приема акустической вол н ы и напра вле«»иеи распространения цилиндрической волны. В нашем случае этот угол равен 90 + О (см.фиг.1). Тогда составляющая вектора скоpocTI1 ветра на ««аправление биссектрисы

00 будет: 90 1ак

По определенному значению Voo можi но найти вертикальну«о составляющую вектора скорости ветра на данной высоте h п0 следу»ощей формуле:

f90+ 8

Овсрт(Л) — Ugr2 (h ) cos (4)

Таким образом, за один цикл измерений, данным способ»ом f lo)Kilo получить Г«рофиль вертика»«ьнОЙ Kof4»loH8HT«-. скорости 88ТрВ и профиль компоненты скорости ветра, направленной по биссектрисе 00», до высот не ме»»ее 9 км, Для определенил полного в8ктора скорости ветра HB данной высоте необход»«мо провести три последовательных измерения для различных углов О не лежащих в одной плоскости.

Нестабильность частот излучения лазеров будет оказывать очень слабое влияние

HB точность измерения, поскольку стабильность частот излучения лазеров с примене1101017 нием комбинированной системы активной ванный s аналого-цифровом преобразовастабилизации частоты для ОКГ составляет . теле 6 сигнал попадает в вычислительное

10.3 Г- . устройство 7, где вычисляется спектр приФормула{3)является расчетной прире- шедшего сигнала и определяется допплеализацииалгоритмаспособа. 5. ровский сдвиг частоты относительно

Работа способа осуществляется с по- возникшего акустического.сигнала. Окончамощью. устройства, изображенного на: тельный расчет компонент профиля скорофиг.2, где 1 — CO2 — лазер, работающий на сти ветраосуществляется в вычислительном частоте f1 = 2,9.10" Гц (что соответствует:. устройстве 7 по формуле (3). Синхронизатор длине волны 10,6 мкм); 2 — СΠ— лазер; 10 4 управляет работой лазеров 1,2 и вычислиработающий на частоте fz - f1 + 500 Гц; 3 — . тельного устройства 7., исходя из соотноше-. остронаправленная антенна акустического ния (1). Преимуществами заявляемого приемйика, в качестве которой можно ис-. способа по сравнению с прототипом являпользовать решетку электроакустических ются увеличение точности измерений путем преобразователей, 4 — синхронизатор, 5.— 15 улучшения пространственного разрешеполосовой усилитель, б-.аналого-цифровой . ния, а также расширение функциональных преобразователь, 7 — вычислительное уст- : . возможностей путем измерения высотного ройство.,: профиля скорости ветра. По сравнению с базовым объектом-комплексом . радиолокаЛазерные источники излучают импульс 20 ционной станции (МРДС) типа "Метеорит-2" энергии в узкие параллельные пучки, пере- и ответчиком А-28 устройство, реализующее крывающиеся между собой. Возникший предлагаемый способ, имеет ряд сущестакустический импульс, распространяясь, венных преимуществ. таких, как надежпопадает в поле зрения антенны акустиче- ность в.работе; так как ответчик может быть ского приемника и рассеивается под углом 25 унесен=из поля зрения МРЛС при сильном

90 + О = 8; воздействуя на электроаку- . ветре; ответчик-приборразовогодействия, . стические преобразователи. Возникший в кроме того в устройстве, реализующем антенне 3 электрический сигнал, усилива- предлагаемый способ, отсутствует СВЧ изясь полосовйм усилителем 5, попадает в лучение,оказывающееприбольшихмощно.аналого-цифровой преобразователь 6, где 30 стях вредное воздействие на организм преобразуется в цифровую форму. Оцифро- человека. .О

1101017

Составитель

Техред М.Моргентал

Корректор М.Керецмвн

Редактор Е.Гиринская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 4061 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5