Способ измерения скорости ветра Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Кроме того, для измерения скорости етра необходимо г ринимать возникшее кустическое излучемие тремя разнесенныи из значительные расстояния в горизональной плоскости приомимкамм, что сложняет измерения. Кроме того, малое пространственное разрешение снижает

очность измерен 1я.

Целью изобретения является поаышение точности измерений путем улучшения пространственного разрешения.

Для достижения постаиленной цели в Способе измерения.скорости ветра путем одноврег енной посылки в заданную область атмосферы двух параллельных перекрывающихся пучков лазерного излучения с частотами, отличающимися на частоту звукового диaпaзo ia, и приема акустического импульса, принимают рассеянное исследуемой областью возникшее акустическое излучение под углом 180 0,

270 относите/ ьно направления посылки лазерных nv/iKOB, измеряют частоту, соотоетствугощук.) максимуму в спектре принятого сигнала, и по сдвигу этой частоты относительно разности частот посланных лазерных излучений определяют искомый параметр.

На фиг.1 приведена схема способа, где 1,2 -лазерные источники, 3 остронапраоленная а(темна акустического приемника, Блок-схема реализации данного способа тюказана на фиг.2.

В атмосфере при одновременном распространении даух коаксиальных монохроматических ла-зерных излучений с близкими астотами fi и fa в области их перекрытия в результате вдаимодсйстоия лазерных излучений будет генерироваться мощное акустическое излучение частоты faK f. - f 1 , направление распространения которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический. Возникшая на длительности h посылки лазерных излучений цилиндрическая акустическая волна попадает в точку А2 (см.фиг. 1), Помещая акустический приемник на расстоянии R от

лазерных передатчиков и ориентируя его остронаг равленнук) антенну в сторону от оси лазерных передатчиков, под углом 0° QI 90° относительно направления посылки лазерных излучений, можно при-. нять рассеянное Q точке Аа под углом (Е 90° Г © акустическое излучение, В то же время возникшее акустическое излучение, попадающее в точку Лз, имеет направление имеет направление распространения, перпендикулярное оси лазерных пучков. Полный же угол между направлением посылки и приема оказывается равным G + 90° и

лежит о пределах 180° Bii 270°. Передающая и приемная диаграммы направлен-HOCTW в предлагаемом способе никогда не пересекаются и могут только наложиться .:

Время распространения рассеянного на высоте h акустического мзлучения от места его возникновений (точка Ai фиг.1) до приемника можно записать как: . „ AI А2 Н-А2 АЗ

Со -

(R4-h tgQ-bh/.sinQ)/Co (1) . где Со - скорость звука, определяемая как

Со 20,(2)

где Т - абсолютная температура.

Временем распространения лазерных излучений отАдо Ai можно пренебречь, так как скорость света много больше скорости звука, . Осуидествляя временное стробировлние принятрго акустического сигнала, моЖ но принимать сигнал, рассеянный с различных высот h.:,

Измеряя частоту принятого акустического сигнала fnp, можно определить составляю.11ую вектора скорости ветра на данной высоте h, направленную по биссектрисе у.г. ла между направлением приема акустической волны и направлением .распространений цилиндрической волны. В нашем случае этот угол равен 90° 0 (см.фиг.1). Тогда составляющая вектора ско расти ветра на направление биссектрисыООбудет;, , . .,

Со ftip isd

и

(3)

f.

ак

По опредёлеН}юму значению Vooможно найти вертикальную составляющую вектора скорости ветра на данной высоте h по

следующей формуле;

UDC-PT ( h ) - UOO ( h ) COS ) j

Таким образом, sa один цикл измерений данным способом можно получить профиль вертикальной компоненты скорости ветра и профиль компонентьг скорости ветра, направленной по биссектрисе ОО, до высот не мемее 9 км. Для определения полного аекторз скорости ветра на данной высоте необходимо пронести три последовательных

измерения для различных углов Э не лежащих D одной плоскости.

- естабильность частот излучения лазеров будет оказывать очень слабое влияние на точность измерения, поскольку стабильность частот излучения лазеров с применением комбинированной системы активной стабилизации частоты для О КГ составляет .

Формула (3) является расчетной при реализации алгоритма способа.

Работа способа осуществляется с помощью устройства, изображенного на фиг.2, где 1 - С02 - лазер, работающий на частоте fi 2,9 Гц (что соответствует длине волны 10,6 мкм), 2 - С02 - лазер, работающий на частоте h fi + 500 Гц, 3 остроналравленная антенна акустического приемника, в качестве которой можно использовать решетку электроакустических преобразователей, 4 - синхронизатор, 5 полосовой усилитель, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - вычислительное устройство.

Лазерные источники излучают импульс энергии в узкие параллельные пучки, перекрывающиеся между собой. Возникший акустический импульс, распространяясь, попадает в поле зрения антенны акустического приемника и рассеивается под углом 90° + Q - QS воздействуя на электроакустические преобразователи. Возникший в антенне 3 электрический сигнал, усиливаясь полосов1 1м усилителем 5, попадает в аналого-цифровой преобразователь б, где преобразуется в цифровую форму. Оцифрованный в аналого-цифровом преобразователе б сигнал попадает в вычислительное устройство 7, где вычисляется спектр пришедшего сигнала и определяется допплеровский сдвиг частоты относительно возникшего акустического сигнала. Окончательный расчет компонент профиля скорости ветра осуществляется в вычислительном устройстве 7 по формуле (3). Синхронизатор 4 управляет работой лазеров 1,2 и вычислительного устройства 7, исходя из соотношения (1). Преимуществами заявляемого способа по сравнению с прототипом являютсй увеличение точности измерений путем улучшения пространственного разрешения, а также расширение функциональных возможностей путем измерения высотного профиля скорости ветра. По сравнению с базовым объектом-комплексом радиолокационной станции (МРЛС)т4/1па Метеорит-2 и ответчиком А-28 устройство, реализующее предлагаемый способ, имеет ряд существенных преимуществ, таких, как надежность в работе, так как ответчик может быть унесен из поля зрения МРЛС при сильном ветре, ответчик-прибор разового действия, кроме того в устройстве, реализующем предлагаемый способ, отсутствует СВЧ излучение, оказывающее при больших мощностях вредное воздействие на организм человека.

(Pus. г

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА путем одновременной посылки в заданную область атмосферы двух параллельИзобретение относится к области метеорологии и может найти применение для измерения профиля скорости ветра в атмосфере. Известен способ измерения скорости ветра путем посылки в заданную область атмосферы акустического излучения, приема рассеянного излучения, измерения допплеровского сдвига частогы принятого сигнала, по которому судят об искомом параметре. Данный способ имеет малую дальность, не превышающую 1 км. что обусловлено малой мощностью передатчика и большими потерями акустической волны за счет двойного прохождения трассы зондирования. Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ оптико-акустического зондирования атмосферы, по которому в исследуемую обных перекрывающихся пучков лазерного излучения с частотами, отличающимися на частоту звукового диапазона, и приема акустического импульса, отличающийся тем. что. с целью повышения точности измерений путем улучшения пространственного разрешения, принимают рассеянное исследуемой областью возникшее акустическое излучение под углом 180° 0h 270° относительно направления посылки лазерных пучков, измеряют частоту, соответствующую максимуму в спектре принятого сигнала, и по сдвигу этой частоты относительно разности частот посланных лазерных излучений определяют искомый параметр. СП с ласть атмосферы одновременно посылают два перекрывающихся на заданной высоте лазерных импульса, оси которых параллельны, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, принимают возникО ший акустический импульс, измеряют интервал времени между посылкой лазерного ..Jl о и приемом акустического импульсов. Для определения величины и направления скорости ветра необходимо данным способом провести три измерения, разнесенные в горизонтальной плоскости. Данным способом невозможно за один цикл измерений получить высотный профиль скорости ветра, поскольку измеряемый параметр - интегральное время распространения звукового импульса от точки возникновения до приемника позволяет получить лишь среднее значение скорости ветра вдоль трассы распространения звукового луча.