СПОСОБ РАДИОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАРЯДА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2008 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к метеорологии, в частности к дистанционным методам измерения характеристик атмосферы, и может быть использовано в автоматизированных системах определения опасных для авиации явлений погоды, а также в других областях человеческой деятельности, где необходимо знание о величине заряда атмосферного аэрозоля.

Актуальность данной проблемы обусловлена тем, что при решении ряда важных прикладных задач физики атмосферы, экологического мониторинга окружающей среды, воздействий на атмосферные явления и процессы, а также для обеспечения безопасности полетов авиации требуются данные об электрическом состоянии атмосферы, определяемые в настоящее время контактным способом при помощи технических устройств, установленных на борту воздушных судов, с использованием наземных ловушек или же введением в исследуемую среду зонда с измерительными приборами (Современные исследования ГГО им. Воейкова. Том 2. / Под ред. д-ра ф.-м. наук Берлянда М.Е., д-ра ф.-м. наук Мелешко В.П. - С.-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, с.207-228).

Известен способ измерения заряда аэрозольных частиц (Сушко Б.К., Бахтизин Р.З., Ивлев Л.С. Измерение объемного заряда аэрозольных частиц // Заводская лаборатория, 1989, N10, с.35-38), величину которого определяют по напряженности электростатического поля у одной из пластин плоского конденсатора, помещенного в исследуемую среду. При этом среднюю плотность заряда ρ аэрозольных частиц вычисляют по формуле

где Е - напряженность электрического поля у пластины конденсатора,

ε - диэлектрическая проницаемость измеряемой среды,

ε₀=8.85·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная,

h - расстояние между пластинами конденсатора.

Напряженность поля измеряется с помощью динамического индукционного электрометра с дифференциальным датчиком.

Диапазон измерения плотности объемного заряда равен 10^-10÷2·10^-6 Кл/м³.

Недостатком данного способа является невозможность определения заряда в атмосфере на различных высотах, а также малый объем, в котором определяется заряд аэрозольных частиц.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения заряда в твердых диэлектриках (А.с. 1087927 СССР, МКИ G01R 29/24. Способ измерения плотности распределения объемного заряда в твердых диэлектриках. Опубл. в БИ, 1984, N15). Способ осуществляют возбуждением в исследуемом образце механических колебаний с последующим измерением электрического сигнала, характеризующего распределение заряда в твердом диэлектрике. Расчет плотности распределения заряда в исследуемом образце проводят по следующей схеме. Измеряют амплитудные значения тока в электрической цепи (I_n(t)) последовательно при частотах колебаний, удовлетворяющих условию возникновения в образце стоячей волны

, где d - толщина диэлектрика, λ - длина волны.

Затем решают уравнение (2) относительно ρ(х) методом обратного преобразования Фурье:

где σ - поверхностная плотность заряда;

V₀ - амплитудное значение колебательной скорости частиц;

ω - частота колебаний.

К недостатку данного способа относится его ограниченное применение, только для определения плотности распределения зарядов в твердых диэлектриках.

Общим недостатком известных способов является необходимость контакта с заряженной средой при проведении измерений, их ограниченное применение и малый исследуемый объем.

Задача предполагаемого изобретения состоит в дистанционном определении заряда аэрозольных частиц в атмосфере с одновременным расширением объема исследуемой среды и диапазона измерений в области максимальных значений.

Сущность предлагаемого способа дистанционного радиоакустического определения заряда аэрозольных частиц заключается в том, что первоначально осуществляют возбуждение в исследуемом объеме механических колебаний заряженных частиц, инициированных акустической волной и порождающих ответное электромагнитное излучение. Затем измеряют электромагнитный сигнал на частоте воздействия, по параметрам которого определяют распределение заряда аэрозольных частиц в атмосфере.

Общими для заявляемого способа и прототипа являются следующие признаки:

- возбуждение механических колебаний в исследуемом объеме;

- измерение электрического сигнала, характеризующего распределение заряда.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- возбуждение механических колебаний аэрозольных частиц в исследуемом объеме, инициированных акустической волной;

- измерение ответного электромагнитного сигнала на частоте воздействия акустической волны;

- определение заряда аэрозольных частиц по величине напряженности электрического поля, излучаемого данными заряженными частицами при их колебании с частотой акустической волны.

Технический результат изобретения заключается в дистанционном определении заряда аэрозольных частиц в атмосфере, а также в увеличении объема исследуемой среды и расширении диапазона измерений в области максимальных значений.

Данный технический результат достигается за счет принципиального отличия предлагаемого способа радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере, заключающегося в том, что в качестве генератора механических колебаний используется акустический локатор, что позволяет расширить объем измеряемого пространства, а источником информации о распределении заряда аэрозольных частиц в атмосфере является электромагнитный сигнал, измеренный на частоте воздействия акустической волны, что позволяет увеличить диапазон измерений.

Для чего, в предлагаемом способе, акустическим локатором с известными характеристиками (w - мощность; f - частота акустической волны, τ - длительность зондирующего акустического импульса, Θ - ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора) возбуждаются механические колебания атмосферного воздуха с последующей регистрацией напряженности электрического поля, являющегося откликом заряженных аэрозольных частиц на акустическое воздействие, а определение заряда аэрозольных частиц единичного объема осуществляют по формуле:

где A=4π·ε₀·с² - постоянный коэффициент,

- амплитудное значение напряженности электрического поля, измеренного на частоте акустического воздействия;

ε₀ - электрическая постоянная,

с - скорость распространения электромагнитной волны;

ω=2πf - круговая частота акустической волны;

R - расстояние до облучаемого акустическим сигналом объема;

σ - удельный коэффициент ослабления акустической мощности;

β - угол между направлением движения заряда и направлением на точку приема электромагнитного сигнала;

- объем атмосферы, облучаемый акустическим локатором (импульсный объем);

- направленная мощность акустического локатора;

w - мощность акустического локатора;

Θ - ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора;

τ - длительность зондирующего импульса акустического локатора;

V_зв(R) - скорость звуковой волны в измеряемом объеме;

ρ(R) - плотность воздуха в измеряемом объеме;

- коэффициент, зависящий от размера аэрозольных частиц (r), динамической вязкости воздуха (η), плотности аэрозольной частицы (ρ), при этом по времени запаздывания отклика зондирующего акустического сигнала относительно момента его посылки получают информацию об удалении исследуемого объема от акустического локатора, а направление прихода отклика акустического сигнала определяют по угловым координатам положения антенны локатора в момент зондирования.

Представим доказательство наличия указанного технического результата в предлагаемом радиоакустическом способе измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере.

Известно (Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с.284-287), что под воздействием акустической волны аэрозольные частицы совершают колебательные движения с частотой воздействия.

Дифференциальное уравнение, описывающее такое движение, будет иметь вид:

где r - радиус аэрозольной частицы; ρ - ее плотность; ν_r - скорость движения аэрозольной частицы; v_зв - скорость движения акустической волны (скорость колебательного движения воздуха), t - текущее время; η - динамический коэффициент вязкости воздуха.

Решение уравнения (4) относительно V_r имеет вид (Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы - Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с.284-287):

где А - амплитуда колебаний скорости аэрозольной частицы под влиянием акустического воздействия;

(ν_r)_t=0 - скорость движения аэрозольной частицы в отсутствие акустических колебаний в момент времени t=0.

Значение амплитуды скорости колебательного движения аэрозольных частиц (А) найдем, используя соотношение (Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. - М.: Наука, 1989, с.321-322):

где I - интенсивность звуковой волны.

Свяжем значение А с направленной мощностью W акустического излучателя, используя соотношение

Таким образом, подставляя (7) в формулу (6), получим

Общее решение уравнения (4) будет иметь вид.

где σ - удельный коэффициент ослабления акустической мощности определяется следующим образом (Атмосфера. Справочник / Под ред. Ю.С.Седунова - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.497-499)

где Т₀=293.15 К, Р₀=1013 ГПа, f - частота акустического воздействия.

Где α_кол. i - для кислорода i означает О и для азота i означает N,

fp,i - частота релаксации, Гц; с=343.23 (Т/То)^1/2, м/с;

Θ i - характерная колебательная температура, К;

Т - температура воздуха, К;

ℵi - молярная концентрация фракции, безразмерная;

Θ₀=2239.1 К; ℵ₀=0.209; Θ_N=3352.0 К; ℵ_N=0,781.

Зависимость релаксационных частот (Гц) от влажности и температуры выражается следующими формулами:

где: h=e/P - молярная концентрация водяного пара, %.

Колебательные движения заряженной аэрозольной частицы под воздействием акустических волн вызывают излучение электромагнитных волн. Напряженность электрического поля этих волн в некоторой точке приема электромагнитных волн, удаленной от колеблющейся аэрозольной частицы на расстояние R определяется выражением (Фейман Р. и др. Феймановские лекции по физике. - М.: Изд-во «Мир», 1976, с.42-43):

где q - заряд аэрозольной частицы,

α - коэффициент ослабления электромагнитных волн,

a(t) - ускорение колебательного движения аэрозольной частицы под воздействием акустических волн в момент времени t, полученное из выражения (9)

Атмосферу при акустической локации можно рассматривать как объемно распределенную цель, т.е. совокупность множества отражающих элементов, имеющих статистически однородную структуру и полностью заполняющих рассеивающую область (Атмосфера. Справочник / Под ред. Ю.С.Седунова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.497-499).

Учитывая, что на частотах звукового диапазона значение чрезвычайно мало, можно считать е^-αR≈1.

В результате этого величина напряженности электрического поля, создаваемого заряженными аэрозольными частицами в объеме зондирующего акустического сигнала, будет определяться выражением:

Из выражения (17) с учетом выражения (16), получаем формулу для расчета величины заряда аэрозольных частиц единичного объема в атмосфере:

где Q=q·N - заряд аэрозольных частиц в единице объема.

Структура принимаемого электромагнитного сигнала, инициированного акустической волной, является реализацией случайного процесса, поэтому для его приема и последующей регистрации необходимо использовать энергетический приемник со средней частотой, равной частоте зондирующего акустического сигнала

Согласно литературным источникам, например (Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Г.И.Тузова. - М.: Радио и связь, 1985, с.10-15, рис.1.5), вероятность обнаружения такого сигнала энергетическим приемником равна Р_обн=0.95 при вероятности ложной тревоги Р_л.т.=10^-2 и отношении сигнал/помеха по мощности . При увеличении отношения сигнал - помеха до и той же вероятности ложной тревоги Р_л.т.=10^-2, вероятность обнаружения полезного сигнала увеличивается до 0.99.

При пользовании в приемнике режима накопления сигналов можно увеличить отношение сигнал-помеха в n - раз по мощности и, следовательно, дополнительно увеличить вероятность обнаружения сигнала, где n - количество накапливаемых сигналов (Казаринов Ю.М. и др. Радиотехнические системы. - М.: Сов. радио, 1968, с.142-144, рис.4.25).

Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого способа и достижения технического результата.

Типичный акустический локатор, имеющий следующие основные технические параметры:

частота акустической волны f=2 кГц;

длительность зондирующего импульса τ=250 мс;

акустическая мощность излучателя w=1000 Вт;

ширина диаграммы направленности Θ=1,74 рад

излучает акустическую волну (Атмосфера. Справочник / Под ред. Ю.С.Седунова - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.497-499). Данная волна возбуждает в атмосфере колебания заряженных аэрозольных частиц.

Эти колебания порождают ответное электромагнитное излучение, например, с напряженностью электрического поля Е=50 мкВ/м, которое регистрируется соответствующим энергетическим приемником (в качестве регистратора может использоваться антенна типа АИ 4-1 (Антенна дипольная измерительная. Паспорт и инструкция по эксплуатации пи 2.729.026-02.пс 2.) в сочетании с измерительными приборами.

Состояние атмосферы в данный момент времени характеризуется следующими параметрами:

изменение температуры воздуха с высотой описывается формулой

T(R)=Т₀-GR, где R - удаление измеряемой зоны;

изменение давления с высотой описывается формулой

где Rc=287 Дж/(кг·К), g=9.8 м/с²;

изменение плотности воздуха с высотой

изменение парциального давления с высотой

e(R)=ff·6.1078·10^{(7.665·t(R))/(243.33+t(R))};

вертикальный градиент температуры G=0.65°С/100 м;

относительная влажность воздуха ff=100%;

средние размеры аэрозольных частиц r=10^-6 м;

температура у поверхности земли Т₀=288,15 К;

давление у поверхности земли Р₀=760 мм рт. ст.;

плотность воздуха у земли ρ=1,225 г/м³;

скорость звука с высотой меняется по следующему закону

Требуется определить величину заряда аэрозольных частиц единичного объема.

Решение задачи.

Используя исходные данные, по формуле (3) определим заряд аэрозольных частиц единичного объема, находящегося на удалении R=1 км от источника акустического излучения

где А=4π·ε₀·с²=4·3,14·8,85·10^-12·9·10¹⁶≈10⁷;

ω²=(2·π·2000)²=1,58·10⁸;

- направленная мощность акустического сигнала;

- объем атмосферы, облучаемый акустическим локатором (импульсный объем).

Таким образом, проведенные расчеты с использованием осредненных данных многолетних наблюдений за метеорологическими и физическими параметрами в атмосфере (Облака и облачная атмосфера. Справочник. / Под ред. Мазина И.П., Хргиана А.Х. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 646 с.) и данных о распределении физических характеристик по высоте, принятых в качестве эталонных (ГОСТ 4401-81. Стандартная атмосфера. Параметры. - М.: Издательство стандартов, 1981 г.), показали работоспособность предлагаемого способа.

Полученные результаты свидетельствуют о наличии причинно-следственной связи между новой совокупностью существенных признаков в предлагаемом способе и достигаемым техническим результатом.

Возможность технической реализации предлагаемого способа заключается в наличии стандартных метеорологических акустических локаторов (например, «Волна-3») с фиксированными техническими характеристиками и энергетических приемников электромагнитного сигнала в заданном диапазоне длин волн (например, антенна типа АИ 4-1 в сочетании с измерительными приборами).

Таким образом, предлагаемый способ радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере не имеет принципиальных ограничений в техническом исполнении и может быть реализован на основе известных функциональных устройств.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в автоматизированных системах определения опасных для авиации явлений погоды, а также в других областях человеческой деятельности, где необходимо знание о величине заряда атмосферного аэрозоля. Достигаемый технический результат изобретения заключается в дистанционном определении заряда аэрозольных частиц в атмосфере, а также в увеличении объема исследуемой среды и расширении диапазона измерений в области максимальных значений. Указанный результат достигается за счет того, что акустическим локатором с известными характеристиками (w - мощность; f - частота акустической волны, τ - длительность зондирующего акустического импульса, Θ - ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора) возбуждаются механические колебания атмосферного воздуха с последующей регистрацией напряженности электрического поля, являющегося откликом заряженных аэрозольных частиц на акустическое воздействие, а определение заряда аэрозольных частиц единичного объема осуществляют по определенной формуле.

Способ радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере, заключающийся в том, что в исследуемом объеме возбуждают механические колебания с последующим измерением инициированного электрического сигнала, по характеристикам которого определяют распределение заряда, отличающийся тем, что в исследуемом объеме возбуждают механические колебания акустической волной с последующим измерением напряженности электрического поля на частоте акустического воздействия, а определение заряда аэрозольных частиц единичного объема осуществляют по формуле

где А=4π·ε₀·с² - постоянный коэффициент;

- амплитудное значение напряженности электрического поля, измеренного на частоте акустического воздействия;

ε₀ - электрическая постоянная

с - скорость распространения электромагнитной волны;

ω=2πf - круговая частота акустической волны;

R - расстояние до облучаемого акустическим сигналом объема;

σ - удельный коэффициент ослабления акустической мощности;

β - угол между направлением движения заряда и направлением на точку приема электромагнитного сигнала;

- объем атмосферы, облучаемый акустическим локатором (импульсный объем);

- направленная мощность акустического локатора;

w - мощность акустического локатора;

Θ - ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора;

τ - длительность зондирующего импульса акустического локатора;

V_зв(R) - скорость звуковой волны в измеряемом объеме;

ρ(R) - плотность воздуха в измеряемом объеме;

- коэффициент, зависящий от размера аэрозольных частиц (r), динамической вязкости воздуха (η), плотности аэрозольной частицы (ρ),

при этом по времени запаздывания отклика зондирующего акустического сигнала относительно момента его посылки получают информацию об удалении исследуемого объема от акустического локатора, а направление прихода отклика акустического сигнала определяют по угловым координатам положения антенны локатора в момент зондирования.