КОМБИНИРОВАННАЯ РАДИО-И АКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q5/00 H01Q21/30 H04R1/34 

Изобретение относится к метеорологической технике зондирования атмосферы, а именно к устройствам для определения основных метеовеличин в пограничном слое атмосферы, и может быть использовано в интересах службы безопасности взлета и посадки самолетов.

Известна комбинированная радио- и акустическая антенна в виде фазированной антенной решетки, стационарно расположенной на поверхности земли. В антенной решетке акустические излучатели чередуются с микрополосковыми вибраторами. [1. Wolfe D.E., Lataitis R.J., Weber B.L, etc. Design and preliminary field test of a combined RF/acoustic phased-array antenna for profiler operations // Cost-76 Profiler Workshop 1997/ Extended Abstracts in 2 vol. May, 12, 1997. Engelberg, Swetzerlond. P. 151-154.].

Устройство-аналог предназначено для зондирования под углами, близкими к зенитному (отклонение не более 5^o), при которых невозможна компенсация выноса звукового пакета ветром из диаграммы направленности радиолокатора. Компенсация возможна при наклонном зондировании по и против ветра под углами места Θ близкими к 45^o [2. Takahashi K., Masuda Y., Matuura N., etc. Analysis of acoustic wave fronts in the atmosphere to profile the temperature and wind with a radio acoustic sounding system. // J. Acoust. Soc. Am. Vol. 84 (3), Sept. 1988, 1061-1066] . Назовем такое зондирование "адаптивное наклонное зондирование".

Известное устройство обладает следующими недостатками:
1. При зондировании под углами, близкими к вертикальному, горизонтальный ветер выносит акустический пакет из радиолокационной диаграммы направленности антенны, что ограничивает высоту зондирования.

2. Фазированная антенная решетка имеет относительно большой уровень боковых лепестков, который увеличивается при наклонном зондировании.

3. При адаптивном наклонном зондировании расширяется главный лепесток диаграммы направленности, что ухудшает энергетические параметры зондирования.

Таким образом, устройство-аналог не может применяться в аэропорту, так как не обеспечивает устойчивой высоты зондирования, создает помехи и само воспринимает посторонние излучения по боковым лепесткам (по приземной волне), устройство может эксплуатироваться только при отсутствии осадков.

Наиболее близкой к заявляемой по совокупности признаков является комбинированная радио- и акустическая антенна моностатического радара EMAC (electromagnetic-acoustical), расположенная на поверхности земли. [3. Каллистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука. 1985. 197 с., рис. 1.8, с. 16-18], содержащая источник акустических волн и согласованный вход для подключения доплеровского радиолокатора. В антенне EMAC параболическое зеркало облучается независимо звуковыми и радиоволнами, причем оси максимума диаграмм направленности акустического и радиоизлучения совпадают. Антенна EMAC путем механического сканирования может быть ориентирована под любым углом к горизонту.

Для электромагнитных волн антенна EMAC является антенной типа Кассегрена: электромагнитный рупор находится позади основного параболического металлического зеркала и через отверстие в последнем создает электромагнитные волны в пространстве между основным зеркалом и вспомогательным отражателем гиперболического профиля, выполненным из металлической сетки. Электромагнитные волны отражаются от гиперболического зеркала на основное, которое формирует карандашный луч в дальней зоне. Антенна является взаимной, а потому пришедшее извне электромагнитное излучение обратным путем попадает в электромагнитный рупор. Для акустических волн антенна EMAC является однозеркальной параболической антенной: источник звука расположен на оптической оси основного зеркала, причем сетчатое гиперболическое зеркало находится между акустическим излучателем и основным зеркалом; гиперболическое зеркало прозрачно для акустических волн. Таким образом, антенна-прототип имеет два облучателя, электромагнитный и акустический, расположенные по обе стороны основного зеркала. Поскольку при радиоакустическом зондировании должно выполняться условие Брэгга [3] λ_s = λ_e/2, где λ_s, λ_e - длины акустической и электромагнитной волн в воздухе, главный лепесток акустической диаграммы направленности описанной антенны оказывается уже, чем главный лепесток электромагнитной диаграммы направленности, первый "вложен" во второй.

Устройство-прототип обладает следующими недостатками:
1. Комбинированная антенна EMAC имеет характерный для антенн Кассегрена и однозеркальных параболических антенн значительный уровень боковых лепестков, обусловленный дифракцией волн на краях зеркала, переливом за края зеркала энергии волн, затенением основного зеркала вспомогательным, рассеянием на держателях последнего и на акустическом излучателе (не ниже -(15 - 16) дБ) для электромагнитной диаграммы направленности [4. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. М.: Радио и связь, 1983, 272 с., с. 47] и не ниже -(10-15) дБ для акустической [5. Hall F.F. and Wescott J.W. Acoustic antennas for atmospheric echo sounding // J. Acoustic Soc. Am., 1974, v. 56, N 5, p. 1376-1382]. Антенны Кассегрена имеют дополнительные дифракционные потери вследствие отражения кромки вспомогательного зеркала. Если в облучателе не приняты специальные меры по уменьшению уровня облучения этой кромки, потери могут быть довольно заметными. [6. Коган Б.Л. Асимптотическая оценка дифракционных потерь двухзеркальной антенны Кассегрена при низком уровне облучения края контррефлектора // Антенны. М. : Изд. предприятие редакции журнала "Радиотехника", 1998. - Вып. 2 (41). С. 23-30].

2. Посторонние мощные акустические источники, находящиеся в аэропорту, возбуждают элементы конструкции антенны EMAC, что модулирует излучаемые и принимаемые электромагнитные сигналы и затрудняет определение доплеровского сдвига частоты в принятом электромагнитном сигнале. При этом с наибольшей амплитудой вибрируют самые легкие элементы конструкции - решетчатое малое зеркало, держатели. Типичный шум современного турбореактивного двухконтурного двигателя на самолетах типа Ту-154, Ил-62, Ил-76 и др. вблизи от него превышает уровень 140 дБ, перекрывая спектральную рабочую область акустического канала систем радиоакустического зондирования [7. Гольдстейн М.Ф. Аэроакустика, М.: Мир, 1980, 294 c.].

При наличии реакции гиперболического зеркала на электромагнитный облучатель можно скомпенсировать в фидере облучателя волну, отраженную от неподвижного зеркала. Если зеркало вибрирует, возникает амплитудная модуляция отраженного в фидер сигнала, которая влияет на спектр несущей излучаемых электромагнитных импульсов.

Отраженный электромагнитный эхо-сигнал имеет доплеровский сдвиг несущей частоты f_д = 2c_s/λ_e ≈2•340/0,24 = 2833 Гц = 2,266•10^-6f, где f = c_e/λ_e = 1,25 ГГц - несущая частота излученного радиоимпульса. Колебания сетчатого зеркала могут быть порядка 1-2 мм (давление воздуха ≈1 Па), что соответствует допустимым колебаниям в обычном динамике. При длине электромагнитной волны λ_e = 0,24 м колебания сетки в 1 мм соответствуют ≈4•10^-3 λ_e, т.е. несущая частота излученного радиоимпульса получает сдвиг, значительно больший, чем измеряемый доплеровский сдвиг.

3. Антенна EMAC непригодна для акустического зондирования, так как сетчатое зеркало будет вибрировать при подаче акустического сигнала некоторое время после его прохождения, когда начинают приходить акустические эхо-сигналы (большое время реверберации сетки). Это препятствует получению данных акустического зондирования в нижней части рабочего интервала высот.

Таким образом, устройство-прототип не может применяться в аэропорту, так как не обеспечивает нахождения характеристик поля ветра и микровзрывных потоков, создает помехи аэродромным радиотехническим средствам и само воспринимает посторонние излучения.

Согласно требованиям ICAO для обеспечения безаварийных взлета и посадки самолетов значения горизонтального ветра должны регистрироваться на конкретных высотах (2, 30, 60, 90, ... м). [8. Специализированное совещание по всепогодным полетам. DOC9242, AWO/78. - Монреаль: Изд. ИКАО. 1978. 180 с.] Технические средства определения ветровых характеристик в зоне аэродрома должны производить измерение направления ветра, осредненного за 1 мин, в диапазоне 0-360^o с погрешностью ±8^o [9. Требования к метеооборудованию, предназначенному для получения метеоинформации, необходимой при обеспечении взлета и посадки воздушных судов на аэродромах ГА.// Труды ГГО. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. Т. 523. С. 2-25.].

В основу изобретения поставлена задача создания комбинированной радио- и акустической антенны с низким уровнем бокового излучения и приема электромагнитных и акустических волн, который обеспечивает моностатическое температурно-ветровое радиоакустическое и акустическое зондирование атмосферы с постоянной максимальной дальностью, не зависящей от состояния атмосферы, при размещении антенны вблизи взлетно-посадочной полосы аэродрома.

Такой технический результат достигается тем, что в комбинированной радио- и акустической антенне, содержащей импульсный акустический источник и согласованный вход для подключения доплеровского радиолокатора и параболическое зеркало, которое может независимо отражать акустические и электромагнитные волны, согласно изобретению:
в фокусе параболического зеркала установлен радиоакустический облучатель, выполненный в виде отрезка металлического прямоугольного волновода с поперечным сечением, размеры которого обеспечивают распространение первой электромагнитной моды,
продольная ось симметрии прямоугольного волновода совпадает с оптической осью параболического зеркала,
со стороны первого (верхнего) торца прямоугольного волновода в него введен электроакустический преобразователь с акустическим согласующим устройством, поперечная металлическая сетка и коаксиально-волноводный переход, согласованный для электромагнитных колебаний,
второй (нижний) торец отрезка волновода подсоединен к горловине пирамидального металлического рупора,
параболическое зеркало снабжено расширяющимся наружу металлическим тубусом ломаного профиля, имеющим звуко-радиопоглощающее внутреннее покрытие, причем превышение тубуса над первым торцом отрезка волновода составляет величину не менее диаметра зеркала.

В основу принципа работы предлагаемой антенны положены следующие соображения.

При радиоакустическом зондировании на вход электромагнитной антенны вместе с полезным сигналом, отраженным от объема пространства, возмущенного акустическим импульсом, поступают сигналы посторонних излучений по боковым и задним лепесткам. Суммарная мощность на входе равна P_aΣ

где P_a - мощность, обусловленная полезным сигналом; отраженным от объема пространства, возмущенного акустическим импульсом,
ΔP_a - добавка к P_a, связанная с излучениями P_b (ϑ,Φ), приходящими по боковым лепесткам;
P_sr (ϑ,Φ) - диаграмма электромагнитного рассеяния возмущенного объема;
F (ϑ,Φ) - диаграмма направленности антенны в режиме приема;
η - КПД антенны;
Ω_r - угол визирования возмущенного объема из антенны.

Чтобы полезный сигнал был различим на окружающем фоне, т.е. при P_a >> Δ P_a, в диаграмме радиоприема при низком уровне боковых и задних лепестков главный лепесток должен перекрывать угол визирования возмущенного объема (Θ_a ≅ Ω_r). Те же требования предъявляются к диаграмме радиоизлучения для обеспечения эффективности радиоантенны и снижения уровня электромагнитного воздействия на постороннюю радиоэлектронную аппаратуру. Отсюда вытекают требования к ширине главного лепестка и снижению уровня бокового и заднего излучения акустического источника в комбинированной радиоакустической антенне.

В прототипе одно и то же основное зеркало формирует как акустическую, так и электромагнитную диаграммы направленности, хотя облучатели пространственно разнесены. Возникновение боковых лепестков в антенне-прототипе связано в большой мере с возбуждением кромки основного зеркала и затенением его вспомогательным отражателем, определенный вклад дает также перелив энергии волн через края зеркал. По принципу взаимности внешние поля оказывают свое влияние на антенну-прототип именно в тех направлениях, куда она наиболее интенсивно излучает. Таким образом, наиболее "слабым" звеном этой конструкции с точки зрения внешних воздействий является вспомогательное зеркало. Поэтому его желательно исключить.

Для этого необходим облучатель, способный излучать и принимать оба вида волн из одного фокуса. Такой облучатель должен обладать свойством независимой работы в режиме акустических и электромагнитных колебаний.

При наличии комбинированного радиоакустического облучателя для подавления влияния кромки параболического зеркала и, как следствие, для подавления дифракционных боковых лепестков следует принять меры для поглощения токов, возникающих на поверхности параболоида и затекающих на его обратную поверхность. Теория и техника такого поглощения в электродинамике известна: например, можно поставить тубус с радиопоглощением на кромку параболоида [10. E.B. Dybdal, Y.E. King. Performance of reflector antennas with absorber lined tunnels // Int. Symp. Dig.: Antennas and Propag. - 1979. - V. 2. - P. 714-717] . В работе [10] исследованы тубусы цилиндрического профиля двух модификаций: с открытым концом и имеющие закругление наружу открытого конца. Показано, что использование тубуса длиной не менее 2-2,5 диаметров зеркала заметно уменьшает уровень дифракционных боковых лепестков, особенно при наличии закругления внешней кромки.

Авторами экспериментально установлено, что если превышение положения верхнего раскрыва тубуса относительно положения первого (верхнего) торца отрезка волновода составляет величину порядка диаметра зеркала, то происходит заметное подавляющее воздействие на боковые лепестки диаграммы направленности антенны. Дальнейшее увеличение длины тубуса не оказывает заметного влияния на уровень боковых лепестков, но увеличивает вес и габариты антенны.

Понятие затекающих "токов" применительно к акустическим волнам условно: роль этих токов играют акустические колебания наружной обшивки антенны и ее основания, возбуждающие акустические волны в окружающем пространстве. Нами сделаны следующие предположения, проверенные затем на макете антенны: 1) если на кромке параболоида установить тубус со звукопоглотителем, то акустические колебания кромки зеркала будут погашены, что должно привести к подавлению дифракционных боковых лепестков антенны для акустических волн; 2) подавление дифракционных лепестков с помощью тубуса будет эффективным при условии, что тубус будет достаточно глубоким, чтобы укрыть от внешних воздействий (в том числе от акустических шумов) облучатель, который может вибрировать под действием окружающих шумов.

На фиг. 1 показано конструктивное выполнение предложенной антенны в сборе.

На фиг. 2 приведены экспериментальные диаграммы направленности разработанной антенны для электромагнитных и акустических волн.

Предложенная антенна включает (фиг. 1) параболическое зеркало 1, радиоакустический облучатель 2, бленду 3, дифракционный козырек 4, опорную призму 5. Бленда 3 и дифракционный козырек 4 вместе составляют тубус 3-4, подстыкованный к кромке параболического зеркала 1. Параболическое зеркало изготовлено из листового алюминия и обшито снаружи листовым свинцом толщиной 3 мм для уменьшения времени реверберации. Тубус 3-4 изготовлен из листового металла, покрытого изнутри матами из радиопоглощающей ткани с набивкой из минеральной ваты. Такие маты обеспечивают звуко-радиопоглощающее внутреннее покрытие. Толщина матов близка к четверти длины электромагнитной волны. Параболическое зеркало опирается в трех точках на основание - опорную призму 5, места соединения снабжены резиновыми амортизаторами, обеспечивающими акустическую развязку с корпусом антенны.

Радиоакустический облучатель 2 состоит из металлического пирамидального рупора 6, отрезка прямоугольного металлического волновода 7, коаксиально-волноводного перехода, включающего коаксиальный разъем 8 и штырь 9, соединенный с внутренней жилой коаксиала и выступающий внутрь отрезка волновода 7, поперечной металлической сетки 10 (короткозамыкающей для электрических токов), акустического согласующего устройства 11 (здесь - конического рупора, покрытого изнутри радиопоглотителем), подстыкованного к электроакустическому мембранному преобразователю 12. На фиг. 1 показаны два преобразователя, что позволяет увеличить звуковое давление.

Экспериментальные диаграммы направленности (фиг. 2) получены при полевых испытаниях комбинированной радиоакустической антенны, имевшей следующие размеры: общая высота антенны 2250 мм, диаметр и глубина зеркала 1 ---> 1100 и 190 мм, угол раствора бленды 3 ---> 20^o, раскрыв бленды 3 ---> 1500 мм, угол раствора козырька 4 ---> 60^o, раскрыв козырька 4 ---> 2000 мм, поперечное сечение волновода 7 ---> 82х168 мм, длина отрезка волновода 7 ---> 360 мм, высота рупора 6 ---> 40 мм, расстояние от раскрыва рупора 6 до вершины параболы зеркала 1 ---> 310 мм. На фиг. 2 ноль градусов на оси абсцисс соответствует направлению оптической оси параболического зеркала 1.

Поперечное сечение волновода 7 выбирается из условий возбуждения:
1) плоской бегущей звуковой волны [11. Сапожков М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978. 272 с.];
2) основной электромагнитной волны [12. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия. 1975. 528 с.].

Короткозамыкающая поперечная металлическая сетка 10, не являясь препятствием для акустических волн, отражает электромагнитную энергию. Расстояние между поперечной металлической сеткой 10 и волноводно-коаксиальным переходом 8-9 выбирается при настройке антенны таким образом, чтобы вся электромагнитная мощность, поступившая в антенну через переход 8-9, отразилась в рупор 6, причем реактивность перехода 8-9 компенсируется.

Антенна снабжена электронагревателем для подогрева в зимнее время с целью удаления твердых гидрометеоров, в нижней части антенны имеется дренажная трубка для отвода воды, скапливающейся во время осадков (на фиг. 1 не показана).

Антенна работает следующим образом. При подаче сигнала на электроакустический преобразователь 12 последний за счет механического колебания мембраны создает пакет акустических волн, которые через согласующий рупор 11 поступают в пространство внутри отрезка волновода 7. Поперечная металлическая сетка 10 выполнена из тонких проволок, натянутых на расстоянии около 20 мм в плоскости поперечного сечения волновода 7 параллельно узким стенкам и не является препятствием для распространения акустической волны. В силу малости размеров по сравнению с длиной акустической волны на нее не оказывает влияния проволочный штырь 9. Далее эта волна возбуждает рупор 6, формирующий акустическое излучение в направлении параболического зеркала 1. Падающая акустическая волна отражается зеркалом 1 в некотором угле вокруг направления оптической оси. Акустические колебания возникают также в стенках бленды 3, передаваясь от зеркала 1, а также вследствие падения некоторой части акустической энергии непосредственно от облучателя 2. Однако по мере удаления от зеркала 1 акустические колебания быстро затухают в звуко-радиопоглощающем внутреннем покрытии бленды 3. Та небольшая часть акустической энергии, которая достигает внешнего края бленды, поглощается в звуко-радиопоглощающем внутреннем покрытии козырька 4.

Описанная модель работы антенны на акустических волнах иллюстрируется акустическими диаграммами направленности, приведенными на фиг, 2. Антенна в сборе, т.е. с блендой и козырьком? имеет самый низкий уровень боковых лепестков - кривая 1 на нижнем графике фиг. 2. Антенна с блендой, но без козырька имеет более высокий уровень боковых лепестков - кривая 2. Антенна без тубуса (т.е. только параболическое зеркало) имеет заметно более высокий уровень боковых, начиная с угла ~25^o отклонения от оптической оси параболического зеркала 1. Ширина акустической диаграммы направленности по половинной мощности (-6 дБ по амплитуде) составляет 18^o.

По окончании акустической посылки на разъем 8 поступает радиоимпульсный ток, который с помощью штыря 9 возбуждает собственные электромагнитные волны волновода 7, бегущие в обе стороны вдоль оси волновода. Среди этих волн первая является распространяющейся, остальные экспоненциально затухают по мере удаления от штыря 9. Затухающие волны создают эффект реактивного сопротивления штыря 9 как источника электромагнитной энергии. Волна, упавшая на поперечную металлическую сетку 10, отражается обратно и в поперечном сечении штыря 9 складывается (с учетом амплитуды и фазы) с волной, бегущей в сторону рупора 6. Та часть электромагнитной энергии, которая просочилась сквозь поперечную металлическую сетку 10, поглощается радиопоглотителем, нанесенным на внутреннюю поверхность акустического рупора 11. Расстояние между поперечной металлической сеткой 10 и штырем 9 выбирается при настройке антенны таким, что энергия отраженных электромагнитных волн складывается с энергией волн, бегущих в сторону рупора 6. Рупор 6 формирует излученную волну в сторону параболического зеркала 1, которое отражает ее в виде прожекторного луча. Токи, затекающие с поверхности зеркала и наводимые непосредственно полем облучателя на поверхности бленды 3, затухают в звуко-радиопоглощающем внутреннем покрытии бленды. Токи, не успевшие затухнуть на поверхности бленды 3, затекают на поверхность козырька 4, где эффективно поглощаются и рассеиваются за счет быстрого расширения к внешней кромке и за счет звуко-радиопоглощающего внутреннего покрытия козырька 4. Данная модель работы антенны для электромагнитных волн иллюстрируется верхним графиком на фиг. 2. Из графика видно, что боковые лепестки антенны в сборе начиная с угла 20^o заметно увеличиваются при изъятии козырька и особенно тубуса. Ширина электромагнитной диаграммы направленности антенны по половинной мощности (-6 дБ по амплитуде) составляет 24^o.

Антенна является взаимной (не содержит невзаимных элементов), поэтому ее диаграмма излучения совпадает с диаграммой приема.

Оценим уровень боковых лепестков антенны пои наклонном зондировании. Предложенная антенна устанавливается на земной поверхности вблизи взлетно-посадочной полосы и с помощью механического поворотного устройства может осуществлять наклонное (с отклонением оптической оси антенны от вертикального положения) зондирование атмосферы над аэродромом. Здесь возможны заметные уровни посторонних электромагнитных и акустических полей, распространяющихся вдоль земной поверхности (приземные электромагнитные и акустические волны). При работе в таких условиях наиболее жесткие требования предъявляются к боковым лепесткам, по которым антенна может принимать или излучать приземные волны.

Для нахождения минимального угла места оптической оси антенны при наклонном зондировании атмосферы рассмотрим физический эффект, связанный с ветровой деформацией акустического волнового фронта, распространяющегося в атмосфере. В результате ветрового воздействия сферический волновой фронт принимает форму сплющенной и вытянутой по направлению ветра эллипсоидной поверхности. На этой поверхности акустического волнового фронта имеются две области, обладающие свойством отражать и фокусировать отраженные радиоволны в точку излучения звуковых и электромагнитных колебаний. Обе области пересекаются азимутальной плоскостью, в которой лежит локальный горизонтальный вектор ветра. При излучении и приеме радиоимпульсов из одной и той же точки в плоскости локального горизонтального ветра, т.е. по ветру и против ветра, доплеровский сдвиг отраженных радиосигналов оказывается предельно возможным (Ω_дmax и Ω_дmin) по сравнению с зондированием в других азимутальных плоскостях. При круговом зондировании предложенной антенны выбирается азимутальная плоскость, в которой разность доплеровских сдвигов достигает максимума (ΔΩ_дmax = Ω_дmax-Ω_дmin) и вычисляется локальный горизонтальный ветер по формуле V_r = λ_cΔΩ_дmax/(8πsinα).
Для определения угла места, при котором отраженный сигнал будет принят в точке излучения, проведено численное моделирование с учетом высотного распределения ветра в реальной атмосфере, основные соотношения приведены ниже.

Действие ветрового потока с вектором скорости приводит к деформации сферического фронта R₀² = c_зв²t² звуковой волны, распространяющейся в атмосфере. Здесь радиус-вектор поверхности, образованной фронтом звуковой волны. Деформация сферического фронта под действием ветра определяется результирующим вектором его распространения.

В результате поверхность деформированного фронта звуковой волны имеет вид
R² = (c_зв + u_r)²t², (1)
где u_r - радиальный компонент вектора скорости ветра, радиус-вектор.

Выражение (1) в декартовой системе координат представляет следующее параметрическое уравнение поверхности:
x = R₀f(Φ,θ)cosΦsinθ;
y = R₀f(Φ,θ)sinΦsinθ; (2)
z = R₀f(Φ,θ)cosθ,
где
В уравнении (2) применены следующие обозначения: c_x, c_y, c_z и u_x, u_y, u_z - компоненты векторов скорости звука и ветра в декартовой системе координат, Φ и θ - полярные координаты (0 ≅ Φ ≅ 2π; 0 ≅ θ ≅ π/2), угол θ отсчитывается от нормали к поверхности Земли.

Из учета требования совпадения точек приема и излучения электромагнитных колебаний в комбинированной радиоакустической антенне нормаль к поверхности фазового фронта звуковой волны в точке M₀(x₀,y₀,z₀) проходит через начало координат O(0,0,0). Это условие дает следующую систему уравнений относительно неизвестных величин R₀, Φ₀, θ₀, определяющих ориентацию антенны:

Уравнение (3) определяет условие получения эхо-сигнала в точке излучения звуковых и электромагнитных колебаний. Решение этого уравнения дает значения следующих основных параметров зондирования:
- азимута главной оси диаграммы направленности антенны РАЗ (Φ₀);
- угла места той же оси
- наклонной дальности (R₀f(Φ₀,θ₀).
Сечение фазового фронта звуковой волны в плоскости xz ( Φ = 0) можно описать следующим параметрическим уравнением кривой:

где

u_x) = usin δ₀;
u_z = ucos δ₀.
В уравнении (4) величина δ₀ представляет угол ориентации вектора скорости ветра относительно оси z.

Возможность совмещения точек излучения и приема электромагнитного сигнала, отраженного окрестностью фазового фронта звуковой волны с центром в точке M₀(z₀,x₀), реализуется при выполнении условия

Решение дифференциально-трансцендентного уравнения (5) при фиксированном значении R₀ позволяет определить угол места
точки M₀ на фазовом фронте, а также значение наклонной дальности

Для случая горизонтального ветра (δ₀ = π/2) уравнение (5) преобразуется к виду
ctg2θ = kt/2. (7)
Из анализа решения данного уравнения следует, что угол места
"рабочей" точки фазового фронта звуковой волны в определенной мере зависит от величины kt. Это свидетельствует о том, что деформация фазового фронта звуковой волны увеличивается с высотой, так как z ≈ ct и u(z) = kt.

В реальной атмосфере типовые профили ветра в пограничном слое атмосферы [13. Атмосфера. Справочник, Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 509 с. Раздел 9.1. 14. Пановский Г.Н. Планетарный пограничный слой. / Динамика погоды. 1988. с. 351-382.] аппроксимируется аналитической функцией

где v_g - геострофический ветер; χ₀ - параметр шероховатости поверхности; a и b - некоторые постоянные. Атмосферным пограничным слоем (планетарным пограничным слоем) называют прилегающий к поверхности Земли слой воздуха, в котором существенно сказывается динамическое и тепловое влияние подстилающей поверхности. Толщина его зависит от метеорологических условий и колеблется от нескольких сотен метров (в ночные часы при слабом ветре) до 2-3 км (в дневные часы при сильном ветре).

Получены решения уравнения (5) для реальных профилей горизонтальной скорости ветра над сушей вечером, ночью, днем, которые позволяют задать углы места точек максимального отражения Θ = (40...45^o)±15^o. Этот результат хорошо согласуется с частными случаями, экспериментально проверенными в работах [2] , [15. Масуда Е. Техника дистанционного исследования атмосферы с использованием звуковых волн // Кихон онке гакайси, 1987. Т. 43, по 6. С. 425-430. Перевод Р-14158 от 1.8.88, ГПНТБ, Москва.] и подтвержденными в статье [16. Фабрикант А. Л. // Изв.ВУЗов. Радиофизика, 1988, т. 31, по 10, 1160-1163].

Отсюда, с учетом ширины акустической диаграммы направленности, получаем минимальный угол места оптической оси антенны при наклонном зондировании атмосферы 40^o-15^o+9^o = 34^o. Из графиков фиг. 2 максимальный уровень направленных вдоль земной поверхности боковых лепестков предложенной антенны при наклонном зондировании атмосферы составляет: для электромагнитных волн -22 дБ, для звуковых волн - 33 дБ. С физической точки зрения полученный результат вполне оправдан. Заметно меньший уровень горизонтальных боковых лепестков для акустических волн объясняется тем, что по сравнению с электромагнитными волнами длина акустической волны вдвое короче, главный лепесток диаграммы направленности уже, а в рассматриваемом угле места помещается больше боковых лепестков, которые успевают быстрее затухнуть.

Таким образом, предложенная антенна может применяться на аэродроме, так как обеспечивает нормальную работу радиоакустической системы по нахождению характеристик поля ветра и кратковременных микровзрывных потоков, не создает помех аэродромным радиотехническим средствам и сама не воспринимает посторонние излучения благодаря предложенной конструкции.

Изобретение относится к метеорологической технике зондирования атмосферы, а именно к устройствам для определения основных метеовеличин в пограничном слое атмосферы, и может быть использовано в интересах службы безопасности взлета и посадки самолетов. В комбинированной радио- и акустической антенне в фокусе параболического зеркала установлен радиоакустический облучатель в виде отрезка металлического прямоугольного волновода с поперечным сечением, размеры которого обеспечивают распространение первой электромагнитной моды, со стороны одного торца в отрезок волновода введен электроакустический преобразователь с акустическим согласующим устройством, поперечная металлическая сетка и коаксиально-волноводный переход, согласованный для электромагнитных колебаний, второй торец отрезка волновода подсоединен к горловине пирамидального металлического рупора, параболическое зеркало снабжено расширяющимся наружу металлическим тубусом ломаного профиля, имеющим звукорадиопоглощающее внутреннее покрытие, причем превышение продольного размера тубуса над первым торцом отрезка волновода составляет величину не менее диаметра зеркала. Техническим результатом является снижение уровня бокового излучения при приеме электромагнитных и акустических волн. 2 ил.

Комбинированная радио- и акустическая антенна, содержащая импульсный акустический источник, согласованный вход для подключения доплеровского радиолокатора и параболическое зеркало, которое может независимо отражать акустические и электромагнитные волны, отличающаяся тем, что в фокусе параболического зеркала установлен радиоакустический облучатель, выполненный в виде отрезка металлического прямоугольного волновода с поперечным сечением, размеры которого обеспечивают распространение первой электромагнитной моды, со стороны первого торца в отрезок волновода введен электроакустический преобразователь с акустическим согласующим устройством, поперечная металлическая сетка и коаксиально-волноводный переход, согласованный для электромагнитных колебаний, второй торец отрезка волновода подсоединен к горловине пирамидального металлического рупора, параболическое зеркало снабжено расширяющимся наружу металлическим тубусом ломаного профиля, имеющим звукорадиопоглощающее внутреннее покрытие, причем превышение тубуса над первым торцом отрезка волновода составляет величину не менее диаметра зеркала.