СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА Российский патент 2016 года по МПК G01S13/95 G01P5/00 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано для дистанционных методов зондирования атмосферы, в частности измерение 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", Л.: Гидрометиоиздат, 1990, стр. 36-42). 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 и турбулентност. патент РФ №2480791, по этим координатам (их изменениям) и судят о скорости, направлении и ветра.

Эти два способа обладают двумя основными недостатками:

- требует АРЗ и довольно дорогого приемника СНРС;

- в условиях очень сильных нисходящих ветровых потоках, 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.

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

Наиболее близким техническим решением является МРЛ Meteor 1500 также в рамках NEXRAD, в котором передатчик и приемник всегда работают 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.

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

Для решения поставленной задачи предлагается в способе измерения скорости ветра, основанном на использовании эффекта Доплера с применением фазоманипулированных сигналов, использовать задающий, приемный каналы и канал выбора дальности, осуществляя при этом следующие действия: задающий канал вырабатывает частоту излучения колебаний ƒ₀, которые бинарно манипулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом Т_Э, причем Т/Т_Э=N*, где N* - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно в этом канале вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте ƒ₀+ƒ_СМ, т.е. вида ФМ_N(ƒ₀+ƒ_CM), входной отраженный сигнал имеет вид по частоте ƒ₀+ƒ_{доплера}, который перемножается в первом случае с выходным сигналом τ дальности, а во втором случае - τ дальности $$+\frac{\pi }{2}$$ , т.е. для выбранной дальности τ задержки устраняется манипуляция по фазе и вырабатываются непрерывные сигналы, затем эти сигналы формируются и интегрируются их огибающие по частотам ƒ_CM+ƒ_{доплера} за время не менее длительности Т, после чего определяется канал с максимальной амплитудой сигнала максимальной доплеровской частоты, соответствующей скорости ветра на выбранном расстоянии. Более того, в канале выбора дальности вырабатываются опорные квадратурные сигналы с частотой ƒ₀+ƒ_CM при сдвиге начала генерации псевдослучайной последовательности на задержку τ, соответствующую выбранной дальности.

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

1 - задающий канал

2 - приемный канал

3 - канал выбора дальности (КВД)

4 - передатчик

5 - генератор ВЧ с модулятором

6 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПП) 1, -1, 1. -1, 1, 1…

7 - усилитель радиочастоты (УРЧ)

8 и 9 - перемножители

10 - сумматор квадратурных сигналов

11÷13 - фильтры, интегрирующие огибающую принятого сигнала на частотах f_см+f_допл (фильтры - интеграторы со сбросом)

14 - решающее устройство (РУ), в общем случае - микропроцессор

15, 16 - блоки задержки опорного сигнала и его квадратурной обработки

Электрическая структурная схема по данному способу имеет следующие соединения.

Передающий канал №1: выход генератора ГПП6 через генератор ГВЧ5 и передатчик 4 соединен с первой передающей антенной А1, одновременно выход ГПП5 соединен с вторыми входами фильтров Ф1÷Ф_N 11-13, второй выход ГВЧ5 соединен с блоками задержки сигналов 15 и 16.

Приемный канал 2: выход приемной антенны А2 через УРЧ7 соединен с первыми выходами перемножителей 8 и 9 соединены с сумматором 10 квадратурных сигналов, выход М которого соединен с первыми входами фильтров интеграторов Ф₁-Ф_N 11-13, выход последних через детекторы D1-DN (на чертеже условно показаны как диоды) соединены с решающим устройством РУ14, выход которого является выходом схемы.

Схема по данному способу работает следующим образом.

Генератор ГПП6 генерирует псевдослучайную последовательность, например, 1, -1, 1, -1, 1, 1, поступающую на ГВЧ5, который этой последовательностью посредством своего модулятора (на схеме условно не показан) вырабатывает бинарно фазоманипулируемый сигнал ФМ_н f_o, где f_o - несущая частота генератора.

Этот фазоманипулированный сигнал с первого выхода ГВЧ5 через передатчик 4 и передающую антенну А1 излучается сигналом ФМ_н f_изл.

Одновременно с второго выхода ГВЧ5 сдвинутый по частоте сигнал f_o+f_см поступает в канал выбора дальности 3, который вырабатывает опорные квадратурные сигналы с f_o+f_см и вводит сдвиг начала сигналов ГПП5 на задержку, соответствующую выбранной дальности, а также производит его квадратурную обработку.

Отраженный радиолокационный сигнал поступает на вторую антенну А2 (приемную, строго говоря антенны А1 и А2 можно совмещать, т.е. будет одна антенна, но тогда нужен циркулятор, переключающий антенну с передачи на прием) в виде f_изл+f_допл. и через УРЧ7 поступает на первые входы: перемножителей корреляторов 8 и 9, на вторые входы которых поступают сигналы с КВДЗ с блоков задержки 15 и 16 соответственно.

На выходе перемножителей 8 и 9 сигналы получаются в виде f_см+f_допл. и f_см+f_допл+ соответственно. Перемножители 8 и 9 устраняют манипуляцию по фазе у сигнала выбранной дальности, а остальные отраженные сигналы остаются фазоманипулированными. Затем сигналы с перемножителей поступают на сумматор 10, с выхода которого этот суммарный сигнал поступает на первые входы всех фильтров- интеграторов со сбросом Ф1…ФN, на вторые входы которых поступают сигналы той же псевдослучайной последовательности с ГПП6 уже тактовой частотой, а на их выходах получаем т.о. следующие сигналы: на выходе Ф1-f_см+f_допл1, на Ф2-f_см+f_допл2 и т.д. до ФN-f_см+f_доплN.

Сигналы со всех выходов Ф1…ФN детектируются и поступают на решающее устройство 14, которое из всех поступающих сигналов выбирает максимальный по амплитуде в момент окончания интегрирования, следовательно, на его выходе имеем номер канала, соответствующий частоте Доплера, а отсюда по программному обеспечению (СПО) рассчитывается дальность и скорость ветра, дополнительно по РЛС известен азимут и курсовой угол.

Изобретение относится к способам дистанционных исследований атмосферы, основанных на использовании эффекта Доплера и применении фазоманипулированных сигналов, и может быть использовано для измерения скорости ветра. Сущность: при реализации способа применяют устройство, содержащее задающий, приемный каналы (1, 2 соответственно) и канал (3) выбора дальности. При этом задающий канал (1) вырабатывает частоту излучения колебаний $$f_0$$ , которые бинарно манипулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом $${Т}_{э}$$ . Причем $$Т/{Т}_{э}=N^{*}$$ , где $$N^{*}$$ - дискретность посылок измерения во времени. Одновременно в задающем канале (1) вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте $$f_0+f_{см}$$ , то есть вида $$Ф{М}_N(f_0+f_{см})$$ . Входной отраженный сигнал имеет вид по частоте $$f_0+f_{доплера}$$ . Входной отраженный сигнал перемножается в первом случае с выходным сигналом $$\tau дальности$$ дальности, а во втором случае - $$\tau дальности$$ дальности + $$\frac{\pi }{2}$$ , тем самым для выбранной дальности $$\tau$$ задержки устраняется манипуляция по фазе и вырабатываются непрерывные сигналы. После перемножения сигналы формируются и интегрируются их огибающие по частотам $$f_{см}+f_{доплера}$$ за время не менее длительности Т. После этого определяется канал с максимальной амплитудой сигнала максимальной доплеровской частоты, соответствующей скорости ветра на выбранном расстоянии. Технический результат: измерение скорости ветра. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения скорости ветра, основанный на использовании эффекта Доплера с применением фазоманипулированных сигналов, отличающийся тем, что в нем используют задающий, приемный каналы и канал выбора дальности, при этом последовательность действий следующая: задающий канал вырабатывает частоту излучения колебаний ƒ₀, которые бинарно манипулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом Т_Э, причем Т/Т_Э=N*, где N* - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно в этом канале вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте ƒ₀+ƒ_СМ, т.е. вида ФМ_N(ƒ₀+ƒ_CM), входной отраженный сигнал имеет вид по частоте ƒ₀+ƒ_{доплера}, который перемножается в первом случае с выходным сигналом τ дальности, а во втором случае - τ дальности, т.е. для выбранной дальности τ задержки устраняется манипуляция по фазе и вырабатываются непрерывные сигналы, затем эти сигналы формируются и интегрируются их огибающие по частотам ƒ_CM+ƒ_{доплера} за время не менее длительности Т, после чего определяется канал с максимальной амплитудой сигнала максимальной доплеровской частоты, соответствующей скорости ветра на выбранном расстоянии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канале выбора дальности вырабатываются опорные квадратурные сигналы с частотой ƒ₀+ƒ_CM при сдвиге начала генерации псевдослучайной последовательности на задержку τ, соответствующую выбранной дальности.