СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА Российский патент 2016 года по МПК G01W1/00 

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. Также изобретение может быть использовано в гидролокации.

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.

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.

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.