Способ дистанционного измерения скорости ветра



Способ дистанционного измерения скорости ветра

 


Владельцы патента RU 2469361:

Учреждение Российской академии наук Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) (RU)

Способ дистанционного измерения скорости ветра может быть использован для дистанционного бесконтактного определения скорости ветра в нижних слоях атмосферы. Техническим результатом изобретения является увеличение высоты дистанционного измерения скорости ветра, увеличение временного разрешения метода и уменьшение массогабаритных характеристик реализующих способ устройств. В атмосфере в двух точках на заданной высоте формируют на некотором расстоянии друг от друга два искусственных точечных источника звука, которые синхронно излучают по одному акустическому импульсу, затем принимают эти два акустических импульса в точке, расположенной у поверхности земли симметрично относительно этих звуковых источников, измеряют время распространения звука от первого и второго источников до точки приема и вычисляют компоненту скорости ветра из соотношения: Vв=L(t2-t1)/2t1t2sinα где Vв - величина вектора скорости ветра, коллинеарного прямой, связывающей источники звука, L - расстояние между источниками звука и точкой приема, t1 - время распространения звукового импульса от 1-го источника звука до точки приема, t2 - время распространения звукового импульса от 2-го источника звука до точки приема, α - угол между вертикалью, проходящей через точку приема, и направлением на источник звука. 1 ил.

 

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения. Предлагаемый способ может быть использован для дистанционного бесконтактного определения скорости ветра в нижних слоях атмосферы.

Известен способ дистанционного измерения скорости ветра, основанный на методе акустической локации, заключающийся в посылке в атмосферу звуковых импульсов определенной частоты, приеме рассеянных на атмосферных неоднородностях посланных звуковых импульсов, измерении доплеровского сдвига частоты принятых звуковых импульсов и определении величин компонент скорости ветра по доплеровскому сдвигу их частоты [1]. Известно устройство - акустический локатор, реализующей данный способ дистанционного измерения скорости ветра [2].

Основные недостатки данного способа обусловлены низким уровнем отношения сигнал-шум на входе акустического приемника из-за малой величины сечения рассеяния зондирующих импульсов атмосферными неоднородностями и случайными флуктуациями этой величины вследствие случайного характера структуры рассеивающих объектов (очагов турбулентности). По этой причине практическая реализация данного способа акустической локации требует использования мощных громоздких источников акустических импульсов рупорного типа и таких же крупногабаритных приемных антенн, выполнение измерений ведется методом накопления полезного сигнала при многократной посылке зондирующих импульсов, что снижает временное разрешение метода и уменьшает скрытность проведения измерений (актуально при использовании метода в войсках для обеспечения метеосопровождения выполнения боевых задач). Практическая дальность зондирования скорости ветра методом акустического зондирования ограничивается дистанциями до 1000 метров при наличии благоприятных внешних условий (отсутствии источников интенсивных звуковых шумов в районе действия акустического локатора).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является дистанционное определение величины компоненты скорости ветра на заданной высоте посредством измерения времени распространения звуковых импульсов от двух искусственно созданных в атмосфере источников звука до находящегося на поверхности земли акустического приемника. Технический результат - увеличение максимальной высоты дистанционного измерения скорости ветра, увеличение временного разрешения метода и уменьшение массогабаритных характеристик реализующих способ устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном способе акустической локации, для определения компоненты скорости ветра осуществляют прием приходящих из атмосферы звуковых импульсов, но в отличие от известного способа в атмосфере и двух точках на заданной высоте формируют на некотором расстоянии друг от друга два искусственных точечных источника звука, которые синхронно излучают по одному акустическому импульсу, затем принимают эти два акустических импульса в точке, расположенной у поверхности земли симметрично относительно этих звуковых источников, измеряют время распространения звука от первого и второго источников до точки приема и вычисляют компоненту скорости ветра, из соотношения:

где Vв - величина вектора скорости ветра, коллениарного прямой, связывающей источники звука, L - расстояние между источниками звука и точкой приема, t1 - время распространения звукового импульса от 1-го источника звука до точки приема, t2 - время распространения звукового импульса от 2-го источника звука до точки приема, α - угол между вертикалью, проходящей через точку приема, и направлением на источник звука.

На рисунке приведена схема, поясняющая предлагаемый способ дистанционного измерения скорости ветра.

На чертеже обозначено: А - точка нахождения 1-го источника звука; В - точка нахождения 2-го источника звука; С - точка приема звука (точка нахождения акустического приемника); L1=L2=L - расстояние от источников звука до точки приема звука; α - угол между вертикалью и направлением на источник звука, Vв - величина вектора скорости ветра, коллениарного прямой, связывающей источники звука А и В; - величина проекции вектора скорости ветра на направление L1 (L2); Vзв - величина вектора скорости звука, направленного к точке приема (точке С).

Предлагаемый способ дистанционного измерения скорости ветра заключается в следующем. Скорость распространения звука от источника до точки приема складывается из двух составляющих - собственной скорости звука в воздухе и скорости движения самого воздуха (скорости ветра) в направлении к точке приема. Из чертежа следует, что для 1-го источника звука эта скорость представляет собой сумму собственной скорости звука в воздухе и проекции скорости ветра на направление L1, а для 2-го - разность собственной скорости звука в воздухе и проекции скорости ветра на направление L2. Так как точка приема находится на оси симметрии точек расположения источников звука (L1=L2=L), время распространения звука от 1-го источника до точки приема составит величину t1=L/(Vзв+Vв sinα), а время распространения звука от 2-го источника до точки приема - величину t2=L/(Vзв-Vв sinα). Измерив величины t1 и t2, по известным L и α (эти величины задаются условиями проведения измерений), можно по формуле 1) вычислить искомое значение компоненты скорости ветра Vв на высоте нахождения источников звука (в предположении, что Vв не зависит от высоты и является постоянной величиной).

В предлагаемом способе источником полезного сигнала являются активные акустические источники, способные излучать существенно более высокую мощность звука, чем источник прототипа, в котором полезный сигнал содержат звуковые импульсы, рассеянные на неоднородностях атмосферы. Соответственно, предложенный способ позволяет определять ветровые характеристики на существенно больших высотах, чем это достигается в способе-прототипе. По этой же причине способ не требует применения мощных громоздких источников акустических импульсов рупорного типа и таких же крупногабаритных приемных антенн. Кроме того, для определения времени распространения звука от источников до точки приема достаточно провести единичное измерение без длительного накопления полезного сигнала, как это осуществляется в способе-прототипе, что сокращает время измерения до нескольких секунд и соответственно повышает временное разрешение измерений (практически временное разрешение способа определяется временем распространения звукового импульса от источников до точки приема и составляет для высоты 1 км величину порядка 3-4 сек). Многократно повторяющиеся в течение длительного времени однотонные звуковые импульсы, излучаемые передающей антенной излучателя в способе-прототипе, обладают существенно большим демаскирующим действием, чем генерация мощного, но однократного звукового импульса в атмосфере (особенно в условиях ведения боевых действий), что обеспечивает предлагаемому способу преимущество с точки зрения скрытности проводимых измерений.

Литература

1. Атмосфера. Справочник под ред. Седунова Ю.С., Ленинград. Гидрометеоиздат. 1991. стp.501.

2. Кузнецов Р.Д. Акустическим локатор ЛАТАН-3 для исследований атмосферного пограничного слоя. Журнал «Оптика атмосферы и океана», 2007 г., вып.20, №8, стр.749-752.

Способ дистанционного измерения скорости ветра, в котором осуществляют прием приходящих из атмосферы звуковых импульсов, отличающийся тем, что в атмосфере в двух точках, находящихся на одной заданной высоте, формируют на некотором расстоянии друг от друга два искусственных точечных источника звука, каждый из которых синхронно с другим излучает акустический импульс, затем принимают эти два акустических импульса в точке, расположенной у поверхности земли симметрично относительно этих звуковых источников, измеряют время распространения звука от первого и второго источников до точки приема и вычисляют компоненту скорости ветра, из соотношения:
Vв=L(t2-t1)/2t1t2sinα,
где Vв - величина вектора скорости ветра, коллинеарного прямой, связывающей источники звука, L - расстояние между источниками звука и точкой приема, t1 - время распространения звукового импульса от 1-го источника звука до точки приема, t2 - время распространения звукового импульса от 2-го источника звука до точки приема, α - угол между вертикалью, проходящей через точку приема, и направлением на источник звука.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при определении характеристик атмосферы. .

Изобретение относится к метеорологическим приборам и может быть использовано для обеспечения работы наземных оптических средств и астрономических установок в автоматическом режиме.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. .

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. .

Изобретение относится к гидрометеорологии, а более конкретно для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях.

Изобретение относится к измерительной технике и м зжет найти применение при измерении метеорологических параметров. .

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для дистанционного контроля прироста толщины снежного покрова на лавиноопасных склонах

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик слабо рассеивающей атмосферы. Согласно способу осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям. Осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, каждая из которых пересекает все предыдущие трассы. Общее число трасс - не менее пяти. Характеристики атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул. Технический результат - повышение точности определений за счет корректного учета фоновой засветки атмосферы. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения общего балла облачности. Для определения общего балла облачности получают цветное полутоновое изображение всего небосвода в видимой области спектра и для всех точек изображения проводят сравнение значений цветовых компонент. Если значение синей компоненты больше значения и красной и зеленой компоненты, то точке присваивается значение «синева неба». Если значение синей компоненты меньше значения или красной или зеленой компоненты, то точке присваивается значение «несинева неба». Общий балл облачности определяется как относительное количество точек изображения, которым присвоено значение «несинева неба». Технический результат заключается в повышении достоверности и точности измерений.

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для прогнозирования распространения загрязнения атмосферного воздуха на территории горнопромышленной агломерации. Сущность: система содержит первую (1) и вторую (5) группы быстродействующих датчиков экологического контроля состояния атмосферы, систему GPS, метеостанцию, мобильную телефонную станцию, центральный диспетчерский пункт (4). Причем датчики первой (1) группы для измерения фоновых концентраций химического загрязнения и уровней физического загрязнения атмосферного воздуха устанавливают на стационарных постах. Датчики второй (5) группы для измерения концентраций химического загрязнения и уровней физического загрязнения атмосферного воздуха устанавливают на беспилотных летательных аппаратах (БЛА), совершающих облеты территории горнопромышленной агломерации по заданной программе (6). В случае обнаружения превышения нормативных значений загрязнений датчиками первой (1) группы в места превышения уровня загрязнения направляют БЛА с датчиками второй (5) группы для более детального изучения появившегося загрязнения и прогнозирования траектории его распространения в зависимости от метеопараметров. Технический результат: повышение эффективности прогнозирования возникновения и развития аварийной ситуации. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может быть использовано для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха. Согласно способу в неоднородную атмосферу излучают световые импульсы малой длительности и принимают эхо-сигналы. Эхо-сигналы корректируют на геометрический фактор лидара. Скорректированные сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. Отклоняют световые импульсы не менее чем в двух точках трассы зондирования в направлениях на общий рассеивающий объем. Для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы. Технический результат - повышение точности определений за счет корректного учета влияющих факторов. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности. Принимают эхо-сигналы. Обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара. Накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. При этом световые импульсы отклоняют не менее чем в двух точках трассы зондирования в обратном направлении. Для определения прозрачности атмосферы измеряют эхо-сигналы импульсов в одной и той же точке трассы зондирования до и после отклонения. Определяют коэффициент ослабления атмосферы по принятым и накопленным эхо-сигналам. Технический результат: повышение точности определения коэффициента ослабления атмосферы. 1 ил.

Изобретение относится к методам исследования физических свойств веществ и, в частности, снежного покрова. Сущность: способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания включает предварительное выполнение шурфа до подстилающей поверхности, определение стратиграфии снежной толщи, введение в толщу покрова в непосредственной близости от стенки шурфа лавинного щупа, регистрацию сигнала акустической эмиссии, возникающего при его перемещении, соотнесение каждому слою снежной толщи характерной формы и модулирующей частоты сигнала акустической эмиссии, последующее введение лавинного щупа в заданной точке снежного покрова и определение стратиграфии в этой точке путем сравнения зарегистрированного в ней сигнала акустической эмиссии с сигналом, полученным для контрольного шурфа. Технический результат: снижение трудозатрат на проведение исследований при сохранении точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности. Принимают эхо-сигналы. Обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара. Накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени. При этом световые импульсы посылают не менее чем из двух точек пространства по трассам зондирования, пересекающим заданный участок атмосферы. Посланные импульсы отклоняют в заданных точках трасс зондирования в обратном направлении. Измеряют эхо-сигналы импульсов до и после отклонения в одних и тех же точках трасс зондирования, включая точки пересечения трасс зондирования с заданным участком атмосферы. Определяют характеристики неоднородной атмосферы по принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам до и после отклонения световых импульсов. Технический результат: повышение точности определения коэффициента ослабления атмосферы. 1 ил.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. Сущность: устройство состоит из цельнометаллического корпуса (3), внутри которого установлены модуль (1) управления с опционным блоком GPS, источник (2) питания, цифровой трехкомпонентный акселерометр (15), трехкомпонентный магнитометр (17). В нижней части корпуса (3) размещено выдвижное якорное устройство (4), а также стабилизирующее устройство (5). Стабилизирующее устройство (5) выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом (3) посредством шарниров (6) и резиновых амортизаторов (7). Источник (2) питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством (5). Корпус (3) в подводной своей части оснащен демпфирующим устройством (14), состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков. Лепестки насадки прикреплены к корпусу буя с помощью плоских пружин. Причем четные лепестки прикреплены с наклоном вниз, а нечетные лепестки - с наклоном вверх. Опционный блок GPS модуля (1) управления содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов, выполненный с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли. При этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя. Корпус (3) оснащен элементами (8) парашютной системы и устройством (13) для передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи. Цифровой трехкомпонентный акселерометр (15) и трехкомпонентный магнитометр (17) размещены в едином корпусе (16). Технический результат: повышение точности определения характеристик морских ветровых волн. 1 ил.
Наверх