Радиоакустический способ измерения параметров ветра и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к радиометеорологии, а именно к контолю за уровнем турбулентности в атмосферном пограничном слое, и может быть использовано для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, а также для прогнозирования условий распространения ультракоротких волн. Цель изобретения состоит в определении уровня турбулентности в атмосферном пограничном слое. Данный способ включает излучение вертикально вверх акустического импульса синусоидальных колебаний, облучение возникающих неоднородностей среды непрерывными электромагнитными волнами с длиной вдвое большей длины акустической волны, прием отраженных электромагнитных волн, их стробирование, измерение среднего значения квадрата огибающей стробированного сигнала и квадрата среднего значения его огибающей, а также вычисление по измеренным параметрам уровня турбулентности атмосферы. Устройство, реализующее указанный способ, содержит радиопередатчик, передающую антенну, синхронизатор, импульсный акустический генератор, акустический излучатель, приемную антенну, радиоприемник, два квадратора, два интегратора, вычислительный блок, блок стробирования и линейный детектор. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s G 01 S 13/95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

"L t ai г, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4647964/09 (22) 06.02.89 (46) 23,08.91. Бюл, N 31 (71) Харьковский институт радиоэлектроники им. акад. M.Ê.ßíãåëÿ (72) В.И.Алехин, И.В.Корытцев, Е.Г. Прошкин и Г.И.Сидоров (53) 621.396.96 (088.8) (56) Красненко Н.П, Акустическое зондирование атмосферы, — Новосибирск: Наука, 1986. с. 132.

Авторское свидетельство СССР

М 1008683, кл, G 01 S 13/95, 1981. (54) РАДИОАКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к радиометеорологии, а именно к контролю за уровнем турбулентности в атмосферном пограничном слое, и может быть использовано для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, а также для прогнозирования условий распространения ультракоИзобретение относится к радиометеорологии, а именно к контролю эа уровнем турбулентности в атмосферном пограничном слое, и может быть использовано для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, а также для прогнозирования условий распространения ультракоротких волн.

Цель изобретения — определение уровня турбулентности в атмосферном пограничном слое. Ы 1672386 A1 ротких волн, Цель изобретения состоит в определении уровня турбулентности в атмосферном пограничном слое. Данный способ включает излучение вертикально вверх акустического импульса синусоидальных колебаний, облучение возникающих неоднородностей среды непрерывными электромагнитными волнами с длиной вдвое большей длины акустической волны, прием отраженных электромагнитных волн, их стробирование, измерение среднего значения квадрата огибающей стробированного сигнала и квадрата среднего значения его огибающей, а также вычисление по измеренным параметрам уровня турбулентности атмосферы. Устройство, реализующее указанный способ, содержит радиопередатчик, передающую антенну, синхронизатор, импульсный акустический генератор, акустический излучатель, приемную антенну, радиоприемник, два квадратора, два интегратора, вычислительный блок, блок стробирования и линейный детектор. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для осуществления радиоакустического способа измерения параметров ветра; на фиг. 2 — график, отра- а жающий связь результатов измерений с параметром К, характеризующим уровень турбулентности атмосферы.

Устройство для осуществления радиоакустического способа измерения параметров ветра содержит синхронизатор 1, импульсный акустический генератор 2, аку1672386 стический излучатель 3, радиопередатчик 4, передающую 5 и приемную 6 антенны, радиоприемник 7, блок 8 стробирования, первый квадратор 9, линейный детектор 10, первый 11 и второй 12 интеграторы, второй квадратор 13 и вычислительный блок 14, Сущность предлагаемого способа заключается в следующем, В бестурбулентной атмосфере распространяющийся акустическии пакет однороден, т,е, может быть представлен как совокупность шаровых сегментов, расстояние между которыми по нормали равно длине акустической волны в атмосфере.

Поэтому при его облучении радиосигналом из того же центра фазы поля, отраженного от всех точек одного шарового сегмента, одинаковы, а фа 4ы полей, отраженных от соседних шаров,ых сегментов, отличаются на 2л . В результате все составляющие поля отраженного радиосигнала складываIoTcsI B фазе и такое поле може1 трактова1ься как поле зеркально отраженною сигнала.

При наличии турбуле 4тности, масштаб которой(размер атмосфернь х вихрей) соизмерим с длиной акустической волны, происходит неупорядоченное разрушение структуры каждого иэ шаровых сегментов (с сохранением ср дней конфигурации), ч1о приводит к хаотическому изменению во времени фаэ элементар ых сигналов, отраженных от различньlx точек каждого шарового сегмента и соседних шаровь,х сегме. тов. В результа Ге суммирования элемента рн .,Ix сигналов с разными фазами формируется случайное

lone рассеянного сигнала. Гаким образом, в реальных условиях суммарное поле (отраженного сигнала содержи зеркальну о 4 и рассеянную fp составляющие

t = Г Pp, причем соотношение между их значениями характеризует степень турбулентности, С увеличением турбулентности (е и 6 уменьшаются, а отношение fp/4 увеличивается, оставаясь всегда Mf .I4üøå единицы.

Рассеянная -.oñòàâëÿ Iîùàÿ представляет собой совокупнос1ь большего числа КоМпонент е>,, отражен14 ix от отдельных (I-x) неоднородностей

ep =-, epI.

Как известно, огибающая суммы регулярного сигнала сигнала и большого числа случайных сигналов со случайными фазами, каждый из которых значительно меньше регулярного, распределена по обобщенному закону Релея (закону Райса), плотность которого 8 2

К = — р (— — — —:-"-) I.(— ) g (1) где Š— огибающая суммарного сигнала.

Ео — огибающая регулярной составляющей (зеркальной составляющей); с .Е

5 62

EI — амплитуды случайных составляющих, Тогда

E2 E2 gy(E) С : = (1 yP)g Е2

10 о

I (Qj где Е„

II -4Т вЂ” 1 в Е р

15 Е» S EQIEIdE «g е р(- — ю (2 H)

Л где 4 и 11 — функция Бесселя мнимого аргумента, 20 Из (2) и (3) следует, что

Р ехрф )(1 Р )

30 Я

, (4)

Е, Выражение (4) можно также представить в виде

Š— = 4(

Зависимость 1(К) представлена на фиг.

2.

Рабочий участок кривой в диапазоне изменения К от -14 до +6 дБ характеризует

45 измеряемый диапазон интенсивностей турбулентности.

В настоящее время принято деление уровней турбулентности в атмосферном пограничном слое и четыре класса по степени

50 воздействия на летательные аппараты и может быть количественно описана среднеквадратическими значениями пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра, Эти пульсации являются причиной наруше55 ния когерентной структуры излучаемого акустического пакета в предлагаемом способе, и следовательно, перераспределения энергии между зеркально-отраженной и рассея н ной саста вл я ющи ми пол я радиоси гнала. Указанный эффект обнаруживается в

1672386 результате измерений статистических характеристик принимаемого радиосигнала, В зависимости от величины среднеквадратичных пульсаций вертикального ветра Uv, с которыми связано значение К, 5 различают следующие уровни турбулентности:

Слабая ((J 0,5 мlс; К -10 дБ), умеренная (0.5 м/с < cr, <2,5 м/с, -10дБ<

К -4 дБ), 10 сильная (2,5 м/с <а, -4 м/с, 4-дБ<К<2 дБ; штормовая (о 4 м/с, К 2 др)

Устройство для осуществления радиоакустического способа измерения парметров ветра работает следующим образом.

Синхронизатор 1 запускает импульсный акустический генератор 2 с частотой следования импульсов, определяемой максимальной высотой зондирования. АкустическиЙ им- 20 пульс излучается посредством акустического излучателя 3 вертикально вверх, Pадиоприемник 4 с помощью передающей антенны 5 облучает движущийся акустический пакет непрерывными электромагнитными колебаниями, Отраженный от движущегося акустического пакета радиосигнал принимают с помощью приемной антенны 6 радиоприемника 7 . Выходной сигнал радиоприемника стробируют в блоке 8 стробирования строб-импульсом от синхронизатора 1 с задержкой относительно иэлученного акустического импульса,соответствующейэаданному участку высоты. Стробированный сигнал детектируется одновременно в квадратичном

9 и линейном 10 детекторах, с выходов детекторов детектированные сигналы поступают на первый 11 и второй 12 интеграторы, в которых соответственно выполняются операции

Е2 1 2 1 т

Т3 E (т)дйиЕ Тf Е(t)dt, о о где Т вЂ” выбранный интервал усреднения.

С выхода первого интегратора 11 непос- 45 редственно и с выхода второго интегратора

12 через квадратор 13 сигналы Е и Е поступают в вычислительhûé блок 14, в котором решается уравнение относительно k. По вычисленному значению

К = 20lgk производится классификация турбулентности.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить наличие турбулентности в приэемном и пограничном слоях атмосферы и призвести ее классификацию.

Формула изобретения

1. Радиоакустический способ измерения параметров ветра, заключающийся в том, что излучают вертикально вверх акустический импуль синусоидальных колебаний, облучают возникающие от акусгического импульса неоднородности среды непрерывными электромагнитными колебаниями с длиной волны, равной удвоенной известной длине волны акустических колебаний, принимают отраженные сигналы, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью определения уровня турбулентности в атмосферном пограничном слое, после приема отраженных сигналов их стробируют в каждом цикле излучения акустического импульса на заданном участке высоты, измеряют среднее значение квадрата огибающей стробированного сигнала и квадрат среднего значения его огибающей на интервале, не превышающем время стационарности атмосферных процессов, и по измеренным значениям параметров огибающей сигнала определяют уровень турбулентности атмосферы.

2. Устройство для осуществления радиоакустического способа измерения параметров ветра, включающее последоаательно соединенные импульсный акустический генератор и акустический излучатель, последовательно соединенные радиопередатчик и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну и радиоприемник, а также вычислительный блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены последовэтельно соединенные синхронизатор, блок стробирования, первый квадратор и первый интегратор, последовательно соединенные линейный детектор, второй интегратор и второй квадратор, причем второй выход синхронизатора подключен к управляющему входу импульса акустического генератора, второй вход блока стробирования соединен с выходом радиоприемника, а выход подключен также к входу линейного детектора, выходы первого интегратора и второго квадратора подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока, выход которого является выходом устройства для осуществления радиоакустического способа измерения параметров ветра, 1672386

Ю -15 -10 -5 0 5 10 фЕ

Рю. 2

Составитель С.Кочеров

Техред М,Моргентал Корректор M.Êó÷åðÿâàÿ

Редактор А.Козориз

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

Заказ 2837 Тираж 363 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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