Способ измерения скорости ветра на основе эффекта доплера

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2602730:

Калмыков Алексей Андреевич (RU)

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано для дистанционных методов зондирования атмосферы, в частности измерения скорости, направления и турбулентности ветра в вертикально- горизонтальном срезе атмосферы. Способ имеет следующую последовательность действий: вырабатывается частота излучения колебаний , которые бинарно модулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом , причем где N - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте , т.е. вида Ф входные отраженные сигналы имеют вид по частоте и смешиваются с сигналами , после чего восстанавливаются фильтром синхронно с N-канальной последовательностью вида 1-N и результаты этих операций оцениваются по заданному алгоритму, причем выделяемые частоты пропорциональны скоростям ветра. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

Давно известны измерения скорости и направления ветра в атмосфере, см., например, Н.А. Зайцева “Аэрология”, Ленинград, гидрометиоиздат, 1990, стр. 46-42. Здесь используются аэрологические зонды (АРЗ) и наземные радиолокаторы.

Современными методами измерения являются использование спутниковых навигационных радиосистем (СНРС) GPS и ГЛОНАСС, приемники которых расположены на борту АРЗ и передают координаты полета на наземную базовую станцию (РЛС), по изменению которых судят о силе ветра, его направлении и турбулентности, см. патент РФ №2480791.

Эти два способа обладают двумя основными недостатками:

- требует АРЗ и довольно дорогого приемника СНРС,

- в условиях очень сильных нисходящих ветровых потоков наблюдаемых в Сибири, Арктике и Антарктике, при которых скорость ветра достигает 300-400 км/час, истинная скорость ветра (с учетом подъемной силы АРЗ) будет измерена с довольно большой ошибкой.

Общей проблемой измерения истинной скорости ветра, которая необходима для полетов самолетов и вертолетов и при ракетных, в том числе космических, и артиллерийских стрельбах, является удешевление измерений и повышение точности измерений, так, по требованиям аэрокосмической отрасли РФ измерение скорости ветра в горизонтальной и вертикальной плоскостях должно быть не хуже 0,1 м/сек, а ошибка измерения в градусах по азимуту и углу цели не хуже 1° относительно меридиана.

Известен способ определения скорости ветра, основанный на обнаружении сигналов с известной доплеровской частотой на фоне белого шума с многоканальной структурой для оценки параметров с одного радиолокационного импульса, см. “Известия ВУЗов. Радиоэлектроника”, 2014 г. “О РЕЗУЛЬТАТАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖИТЕЛЯ.” Бычков В.Е., Мрачковский О.Д., Правда В.И.

Недостаток: схемотехническая сложность из-за наличия большого количества каналов, до нескольких десятков, следовательно, и высокая себестоимость.

Также известен способ измерения скорости ветра, см. “Научный вестник МГТУ ГА” 2012 г. “ПЕРСПЕКТИВЫ КООРДИНАТНО-ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ.” Г.П. Трифонов.

Недостатки: способ требует применения АРЗ и дополнительно к нему уголкового отражателя, прикрепленного к корпусу АРЗ, а также все равно наличия наземной РЛС сопровождения.

Известны метеорологические радиолокационные станции, работающие на эффекте Доплера (далее МРЛ), например, WSR-88D в рамках программы NEXRAD США, см. Р. Довиан, Д. Зрнич, книга “Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения”, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, стр. 10-14, также см. распечатку стр. 13 “Радиолокационный способ измерения скорости ветра”.

Наиболее близким техническим решением является MP Л Meteor 1500 с также в рамках NEXRAD, в котором передатчик и приемник всегда работает на одном и том же фазовом эталоне как базис высокоточной доплеровской обработки. Этот МРЛ позволяет отслеживать скорость ветра, поворот ветра, турбулентность или сдвиг ветра. Источник информации см. выше.

Недостатки: большая погрешность определения скорости ветра, минимальное разрешение по дальности G2.5M.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения при минимальных ГМХ.

Технический результат достигается за счет построения измерения на основе фазокодомодулированных сигналов.

Для решения поставленной задачи предлагается.

Способ измерения скорости ветра на основе эффекта Доплера с применением фазокодомодулированных сигналов, отличающийся тем, что имеет следующую последовательность действий: вырабатывается частота излучения колебаний , которые бинарно модулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью T с элементарным сигналом , причем где N - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте , т.е. вида , входные отраженные сигналы имеют вид по частоте и смешиваются с сигналами , после чего восстанавливаются фильтром синхронно с N-канальной последовательностью вида 1-N и результаты этих операций оцениваются по заданному алгоритму, причем выделяемые частоты пропорциональны скоростям ветра.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая данный способ, на которой изображено:

В - передающий канал

С - приемный канал

Д - обрабатывающий канал

1. генератор тактовой частоты

2. генератор псевдослучайной последовательности (ГПП)

3. модулятор

4. генератор опорной частоты

5. регистр сдвига

6. восстановительные фильтры (1…N)

7. первый смеситель

8. второй смеситель

9. решающее устройство

10. приемный усилитель

11. передающий усилитель

12. генератор

А1. излучающая антенна

А2. приемная антенна

Электрическая структурная схема по данному способу имеет следующие соединения.

Выход генератора тактовой частоты 1 соединен с синхровходами ГПП 2 и регистра сдвига 5.

Выход ГПП 2 соединен с первым входом модулятором 3 и с сигнальным входом регистра сдвига 5.

Выход генератора 4 опорной частоты соединен с вторым входом модулятора 3 и через первый смеситель 7 с первым входом второго смесителя 8, с вторым входом которого соединен выход усилителя 10, а выход второго сумматора 8 соединен с сигнальными входами восстановительного фильтра 6, с задающими входами которого соединены выходы 1-N регистра 5.

Выход генератора 12 соединен с вторым входом первого смесителя 7 и с входами восстановителя фазы 6.

Выход восстановительного фильтра 6 соединен с РУ 9, выходы которого являются выходами устройства. Выход модулятора 3 через усилитель 11 нагружен на передающую антенну А1.

Устройство по данному способу работает следующим образом.

Передающий канал вырабатывает псевдослучайную последовательность генератором ГПП 2, которая синхронизирована тактовой частотой , эта последовательность поступает на модулятор фазы 3, где модулирует опорную частоту , поступающую на этот модулятор, выход которого через усилитель 11 поступает на излучающую антенну А1, где в виде фазокодомодулированного сигнала (ФКМС 1) излучается в пространство с частотой .

Приемный канал С принимает через антенну А2 частоту излучения с частотой , которая в виде ФКМС 2 через усилитель 10 поступает на вход 2 второго смесителя 8, на первый вход которого поступает частота с выхода первого смесителя 7. Эта результирующая частота с выхода второго смесителя поступает на обрабатывающий канал Д.

Обрабатывающий канал Д включает в себя регистр сдвига 5, N канальный восстановитель фазы 6 и решающее устройство 9 (РУ).

С генератора ГПП 2 передающего канала В псевдослучайная последовательность поступает на сигнальный вход регистра сдвига 5, синхронизируется частотой и на выходах регистра получаем 1-N последовательно сдвинутых сигналов, которые поступают на первые выходы 1-N восстановителей фазы 6, на вторые входы 1-N которого поступают сигналы с второго смесителя 8. На выходах 1-N восстановителей фазы 6 получаем частоту , которая обрабатывается РУ 9, убирая частоту и выделяя тем самым последовательно 1-N частот Доплера, которые и несут необходимую информацию о скорости ветра.

Способ измерения скорости ветра на основе эффекта Доплера с применением фазокодомодулированных сигналов, отличающийся тем, что имеет следующую последовательность действий: вырабатывается частота излучения колебаний , которые бинарно модулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом , причем где N - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте , т.е. вида Ф входные отраженные сигналы имеют вид по частоте и смешиваются с сигналами , после чего восстанавливаются фильтром синхронно с N-канальной последовательностью вида 1-N и результаты этих операций оцениваются по заданному алгоритму, причем выделяемые частоты пропорциональны скоростям ветра.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для оперативного гидрометеорологического ледового обеспечения. Сущность: измеряют значения параметров атмосферы и гидросферы, выполняют их обработку, анализ и прогноз состояния.

Способ определения усредненных значений скорости и направления ветра // 2600519

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для определения усредненных значений скорости и направления ветра. Технический результат - повышение точности.

Способ формирования сети постов экологического мониторинга воздушной среды города // 2597671

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для построения сети постов экологического мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы города.

Способ определения дрейфа морских льдов // 2593411

Изобретение относится к области морской гидрометеорологии и может быть использовано для определения дрейфа морских льдов. Сущность: следят за перемещением морских льдов, отображая на мониторе пути их перемещения.

Способ коррекции результатов реечных снегомерных наблюдений на эффект оседания снежной толщи // 2592726

Изобретение относится к области гляциологии и может быть использовано для коррекции результатов реечных снегомерных наблюдений на эффект оседания снежной толщи.

Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба // 2589463

Изобретение относится к устройствам для распознавания количества облачности по пространственно-временной структуре излучения в видимой области и может быть использовано при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба.

Способ определения индекса состояния атмосферы для антропогенных источников загрязнения // 2586939

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов.

Способ локального увеличения встречного теплового излучения атмосферы марса // 2586902

Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса.

Способ вскрытия фумарол на марсе // 2585811

Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол.

Система освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности // 2583234

Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности.

Способ определения изменения суммарных многолетних влагозапасов в почвогрунтах речных бассейнов // 2604479

Изобретение относится к области частично инфинитной гидрологии и может быть использовано для определения изменения суммарных влагозапасов в почвогрунтах речных бассейнов. Сущность: измеряют годовые осадки, речной сток, температуру и влажность воздуха. С учетом результатов указанных измерений рассчитывают изменение влагозапасов в почвогрунтах. Технический результат: определение изменения суммарных многолетних влагозапасов в почвогрунтах речных бассейнов.

Автоматический регистратор таяния ледников куракова // 2606346

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для получения информации о таянии ледника и температуре в его толще. Устройство содержит термокосу из датчиков температуры, расположенных на известном равном друг от друга расстоянии, и которые последовательно соединены между собой гибким кабелем. При этом датчики температуры и соединяющие их кабели размещены в защитном корпусе, который выполнен из полимерной оболочки, а верхний датчик температуры подключен к устройству считывания, хранения, обработки и отображения данных. Новым является то, что каждые n датчиков температуры объединены в жесткие сегменты, которые расположены друг от друга на известном одинаковом расстоянии, обеспечивающем равное расстояние между датчиками температуры. Причем жесткие сегменты связаны между собой гибкими соединениями таким образом, чтобы по мере таяния льда выступающие над поверхностью сегменты устройства складывались под действием силы тяжести. Для считывания, хранения, обработки и отображения полученных данных используют контроллер. Дополнительно устройство оборудовано приемником сигнала спутникового позиционирования для изучения движения ледника. Технический результат – расширение функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ и устройство для определения состояния поверхности дороги // 2607917

Акселерометром регистрируют сигнал временного ряда колебаний шины, разбивают его на интервалы при помощи средства разбиения, затем сигналы временного ряда колебаний шины выделяют для соответствующих интервалов, после чего вычисляют характеристические векторы соответствующих временных интервалов. Затем производят вычисление кернфункций по характеристическим векторам соответствующих временных интервалов и по характеристическим векторам поверхности дороги, которые являются характеристическими векторами для соответствующих временных интервалов, вычисленными по временным сигналам временного ряда колебаний шины, заранее полученным для каждого конкретного состояния поверхности дороги. Определяют состояние поверхности дороги путем сравнения значений дискриминантных функций с использованием кернфункций. В результате определяют состояние дорожной поверхности по сигналам временного ряда колебаний шины без выявления положений пиковых значений или замера скорости колеса. Технический результат - повышение корректности способа определения состояния поверхности дороги при изменении размеров шины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Система измерений концентрации парниковых газов в атмосфере // 2613841

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для измерения концентрации парниковых газов в атмосфере. Сущность: система содержит тракт дистанционных измерений и тракт экспресс-анализа газовых компонент в предельном слое атмосферы. Тракт дистанционных измерений включает тракт регистрации сигнала отраженного от подстилающей поверхности светового потока, дважды прошедшего атмосферу, установленный на орбитальном носителе (3), Центр (5) управления полетом, радиолинии командного управления (6) и передачи (8) данных, наземные пункты (9) приема информации, средство (10) передачи информации, центр (11) тематической обработки информации. Упомянутый тракт регистрации сигнала состоит из спектрометра (1) и многоспектральной камеры (2), осуществляющих зондирование запланированных участков по программам, передаваемым из Центра (5) управления полетом. Упомянутый тракт экспресс-анализа газовых компонент размещен на тестовом участке и состоит из кассеты газовых датчиков (20) на каждый тип газа, канального коммутатора (24), аналого-цифрового преобразователя (22), буферного запоминающего устройства (23), синхронизируемых программируемой схемой (24) выборки измерений. Сигнал тракта экспресс-анализа газовых компонент используют для калибровки тракта дистанционных измерений. Технический результат: повышение точности определения концентрации парниковых газов в атмосфере. 5 ил.

Способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков // 2617452

Изобретение относится к области гидрометеорологического моделирования и может быть использовано для создания картосхем распределения твердых атмосферных осадков. Сущность: на основании гравиметрических данных спутниковых измерений GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) получают аномалии водного эквивалента массы. На основании аномалий водного эквивалента массы, учитывая рельеф местности, рассчитывают среднее количество твердых атмосферных осадков. Создают картосхемы пространственного распределения твердых атмосферных осадков с учетом рельефа местности. Детализируют картосхемы пространственного распределения твердых атмосферных осадков, используя редукционные коэффициенты. Технический результат: повышение пространственного разрешения картосхем. 2 ил.

Устройство контроля распространения акустического шума на селитебной территории // 2618486

Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам мониторинга акустошумового загрязнения селитебных территорий. Устройство контроля распространения акустического шума на селитебной территории включает в себя ультразвуковой термоанемометр, состоящий из нескольких пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей/приемников, и соединенное с ним каналом связи устройство обработки информации, при этом в него дополнительно введены акустический датчик, вычислительное устройство и устройство отображения, причем выход акустического датчика соединен каналом связи с устройством обработки информации, которое, в свою очередь, соединено каналом связи с вычислительным устройством, а вычислительное устройство соединено с устройством отображения. Технический результат – повышение качества прогноза распространения акустошумового загрязнения вглубь селитебных территорий. 1 ил.

Способ определения объема эмиссий газовых компонент в атмосфере // 2619837

Изобретение относится к дистанционным методам атмосферных исследований. Сущность: проводят синхронную съемку подстилающей поверхности, применяя следующие устройства, установленные на космическом носителе: видеокамеру ультрафиолетового диапазона, спектрозональную камеру видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, гиперспектрометр с рабочим диапазоном 190-790 нм. При этом гиперспектрометр устанавливают на космическом носителе таким образом, чтобы его входная щель располагалась соосно центральному участку кадров видеоизображений. Привязывают кадры к географическим координатам, полученным с помощью системы “ГЛОНАСС”. Рассчитывают средневзвешенное смещение спектра, энергию затухания и количество поглощенных квантов солнечного потока относительно эталонного по Планку солнечного потока. Вычисляют эмиссию газовых компонент в объеме луча зондирования спектрометра. Строят калибровочную характеристику тракта зондирования. Формируют синтезированную матрицу изображения путем попиксельного сложения яркости пикселей видеокамер. Выделяют методом программного расчета градиента контуры загрязнений на поле синтезированной матрицы. Вычисляют площади контуров загрязнений и средней яркости их пикселей. С использованием полученных данных определяют объем эмиссий газовых компонент в атмосфере по всей исследуемой площади. Технический результат: количественное определение эмиссии газовых компонент в атмосфере. 5 ил.

Способ определения прозрачности атмосферы по фотометрии звезд // 2620784

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения прозрачности атмосферы по фотометрии звезд. Способ включает в себя определение величины относительной мощности излучения двух звезд. При измерениях используют прибор с зарядовой связью. Величину относительной мощности излучения определяют рассчитывая яркость в уровнях серого полученного изображения путем суммирования яркости каждого ее отдельного пикселя за вычетом фонового сигнала неба. Одновременно с этим измеряют углы между горизонтом и звездами А и В, по которым вычисляют атмосферную массу к каждой из двух звезд. Коэффициент прозрачности атмосферы определяют по выражению: где Ia, IB - известные заатмосферные мощности звезд А и В;Sa, SB - рассчитанные в эксперименте относительные мощности излучения звезд;Ма, МВ – атмосферные массы к звездам А и В.Технический результат заключается в упрощении способа, сокращении времени измерений и обеспечении возможности проведения измерений в любое время суток. 2 ил.

Способ дистанционного оптического зондирования неоднородной атмосферы // 2624834

Способ дистанционного оптического зондирования неоднородной атмосферы содержит этап посылки в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении. На основании сигналов определяют характеристики неоднородной атмосферы по их мощностям. Также уменьшают область зондирования путем осуществления посылки световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона на заданную точку. Также осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным третьим трассам, проходящим через точки пересечения трасс, в которых определяют характеристики атмосферы. Технический результат заключается в повышении точности определений за счет корректного установления связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления. 1 ил.

Способ оценки водозапаса облаков над океаном по данным измерений спутникового микроволнового радиометра amsr2 // 2626165

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки водозапаса облаков над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц горизонтальной поляризации, 23,8 ГГц вертикальной поляризации, 36,5 ГГц горизонтальной поляризации и 36,5 ГГц вертикальной поляризации. Вычисляют значения водозапаса облаков с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры и коэффициентов настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан - Атмосфера и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи. Причем при моделировании излучения используют модель зависимости излучения океана от скорости ветра. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.