Способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере Советский патент 1993 года по МПК G01W1/00 

позволяет измерять большие значения внешнего масштаба турбулентности, соответствующие случаю устойчивой атмосферы. Кроме того, чтобы произвести измерения внешнего масштаба турбулентности на какой-либо высоте над поверхностью земли или же под каким-либо углом к поверхности земли, возникает необходимость поднимат-ь либо приемники лазерного излучения, либо передатчики лазерного излучения на специальных устройствах (вышки, аэростаты, самолеты).

Целью изобретения является дистанционное измерение внешнего масштаба турбулентности и расширение диапазона измерений.

Для достижения поставленной цели в способе определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере путем посылки в заданную область атмосферы двух параллельных лазерных пучков в исследуемую область атмосферы посылают перекрывающиеся лазерные пучки, разность частот которых лежит в звуковом диапазоне, определяют ширину спектра мощности возник,шего акустического сигнала, принимают прошедшее акустическое излучение, измеряют мощность принятого сигнала и спектральную мощность на разностной частоте посланных излучений, по отношению измеренных величин определяют ширину спектра принятого сигнала и по изменению ширины спектра принятого акустического сигнала относительно возникшего определяют внешний масштаб турбулентности в атмосфере.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего данный способ; на фиг. 2 блок-схема устройства, где 1 и 2 - лазерные передатчики, оси излучений которых параллельны, а диаграммы направленностей пересекаются в заштрихованной области, 3 остронаправленная антенна акустического приемника, ориентированная перпендикулярно осям лазерных передатчиков, h - расстояние между лазерными передатчиками и акустическим приемником.

Источником звука в данном способе будет одновременно вся область перекрытия лазерных излучений, и можно считать, что цилиндрическая волна звука возникает одновременно вдоль всей оси области перекрытия лазерных пучков при импульсной работе лазеров, так как скорость света много больше скорости звука. Проведение измерения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере осуществляется следующим образом. Лазерные источники 1 и 2 излучают знергию в узких пучках под углом а к горизонту. В области перекрытия

пучков возникает акустическая волна на разностной частоте излучений лазеров 1ак f2 - fi. Возникшая цилиндрическая акустическая волна принимается узконаправленной приемной антенной 3, ориентированной под углом, близким 90° к посылаемым лазерным пучкам, так как при зтом угле обеспечивается максимальная дальность. Измеряется мощность принятого акустического сигнала и спектральная мощность на разностной частоте посланных излучений, определяется величина спектра принятого акустического сигнала, а об искомом параметре судят по уширению спектра мощности принятого акустического сигнала относительно возникшего.

В атмосфере при одновременном распространении двух параллельНых монохроматических лазерных излучений с близкими частотами fi и fa в области перекрытия в результате нелинейного их взаимодействия будет генерироваться мощное акустическое излучение частоты faK fa - fi, направление распространения которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический. Осуществляя посылку лазерных импульсов под углом а к поверхности земли, можно зарегистрировать мощность прошедшего акустического сигнала, возникшего на дальности посылки лазерных излучений и прошедшего через атмосферу, помещая акустический приемник на некотором расстоянии h от лазерных передатчиков и ориентируя его приемную антенну перпендикулярно оси лазерных пучков. При этом мощность возникшего акустического излучения пропорциональна произведению амплитуд лазерных излучений. При распространении акустической волны через атмосферу спектр мощности ее будет уширяться. Величина такого уширения записывается как

b bo(1+-).

(2)

где b и bo - соответственно ширина спектра мощности принятого и возникшего акустического сигнала, определяемая как

-Ь /l(K)dK/l,, B/ln,(3)

/l(K3dK В - мощность принятого акустического сигнала:

In - пиковое значение принимаемой мощности на частоте ак,

m V/Co,(4)

V - средний поперечный направлению приема акустической волны ветер; Со - скорость звука, определяемая как Со 20.05 VT.(5) К 2 JT / Я - волновое число; Я -длина волны; Т - абсолютная температура; I - пространственная полуширина возникшего акустического импульса, г 21/Со - длительность возникшего звукового импульса;(6) LO - внешний масштаб турбулентности. Переписывая (2) относительно LO и подставляя вместо I г из (6) получим b-сV -г ТКЬ . 3Vrr(|) , Г(х) - гамма-функция, гдес ) АЬ Ь-Ьо - уширение спектра мощности принятого акустического сигнала относительно возникшего. Измеряя мощность принятого акустического сигнала и спектральную мощность на частоте faK, определяют ширину спектра мощности принятого акустического сигнала по формуле (3). Априори зная о среднем поперечном направлению приема акустического излучения ветре можно определить внешний масштаб турбулентности по формуле (7). Для СОа-лазера с круговой частотой излучения 2 Ю рад/с (длина волны 10,6 мкм) при мощности лазерных излучений 100 Вт будет генерироваться акустическая мощность 0,2 МВт. При наихудших условиях распространения лазерного и акустического излучений дальность зондирования будет не менее 9 км при faK 500 Гц, а 45° ( а - угол посылки лазерных излучений, отсчитываемый от поверхности земли). Лазерные источники могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме излучения. Предположим, что используется импульсный режим работы. Тогда минимальная длительность возникшего акустического импульса в направлении 90° относительно посылаемых лазерных пучков будет определяться шириной области перекрытия лазерных пучков на данной высоте Н от поверхности земли (см. фиг. 1), которая при малом расстоянии между лазерными источниками и малых углах расходимости пучков имеет величину 0 h sin « cos a sin (X Co COSa 20,D5VT f Максимальная длительность возникшего акустического импульса будет определяться длительностью посылки лазерных излучений. Звуковой импульс в области перекрытия лазерных пучков возникает и оканчивается с момента начала и прекращения посылки лазерных излучений. Поскольку скорость звука много меньше скорости света, то передний и задний фронты возникающего звукового импульса будут достаточно крутыми, чтобы считать форму возникшего звукового импульса прямоугольной. Ширина спектра мощности такого звукового импульса описывается соотношениемbo л/т .(9) В случае непрерывной работы лазерных источников ширина спектра мощности возникшего акустического излучения будет определяться в основном стабильностью частот излучения лазеров, которая с применением комбинированной системы активной стабилизации частоты для ОКГ составляет 10 Гц. Такой шириной спектра мощности возникшего акустического излучения можно пренебречь. Формула С для случая непрерывной работы лазерных источников упростится и примет вид я-С-У 2 -Ь поскольку Г-евИ Л/Т- 0. в случае импульсной работы лазерных источников с учетом (9) формула (7) перепишется так I - С/VГ11 - 2-АЬ где ДЬ Ь- У1/Т .(12) Формула (11) является расчетной при реализации алгоритма способа при этом, когда длительность импульса лазерных источников больше, чем величина Гмин из (8), то в формулу (12) при расчете АЬ подставляется г, равное длительности импульса лазерных источников. Если длительность импульса лазерных источников меньше, чем величина Тмин из (8), то в формулу (12) подставляется значение Тмин, рассчитанное по формуле (8). Априорное знание поперечного среднего ветра можно получить из параллельных измерений вектора скорости ветра, например, лидером или акустическим локаторо.м. Способ осуществляется с помощью устройства, изображаемого на фиг. 2, где 1 С02-лазер, работающий на частоте fi 2,9х х10 Гц (что соответствует Я 10,6 мкм); 2 - СОг-лазер, работающий на частоте fc fi

+. fait: 3 - остронаправленнзя антенна акустического приемника, в качестве которой может быть использована решетка электроакустических преобразователей; 4 - синхронизатор; 5 - измеритель мощности; б узкополосный фильтр, настроенный на частоту Так; 7 -делитель напряжений; 8 - вычислительное устройство.

Электрический сигнал, возникающий в электроакустических преобразователях антенны 3, попадает в измеритель мощности 5 и на фильтр 6. Делитель 7 производит деление напряжения, снимаемого с измерителя мощности 5 и пропорционального В, на напряжение, снимаемое с фильтра 6 и пропорциональное In. Напряжение, пропорциональное Ь, снимается с делителя 7 и попадает в вычислительное устройство 8. Данные о длительности импульса лазерных источников поступают в вычислительное устройство 8 с синхронизатора 4. Информация о среднем векторе скорости ветра по трассе распространения возникающего акустического излучения поступает в вычислительное устройство 8 от внешних источников данных (таких, например, как лидер для измерения профиля скорости ветра). Скорость среднего ветра, поперечного направлению приема акустического сигнала, определяется в вычислительном устройстве 8 как проекция среднего вектора скорости ветра, поступающая извне, на нормаль к направлению приема акустической волны. Окончательный расчет внешнего масштаба турбулентности проводится по формуле (11) в вычислительном устройстве 8.

В случае непрерывной работы лазерных источников необходимость в синхронизаторе отпадает.

Таким образом, способ позволяет оперативно следить за величиной внешнего масштаба турбулентности в слое атмосферы, вплоть до высот более 9 км, причем диапазон изменения измеряемой величины простирается до максимально физически

возможных величин, наблюдаемых в реальной атмосфере.

В настоящее время следят за состоянием турбулентности в атмосфере, в частности за внешним масштабом турбулентности, используя промышленно изготовляемые датчики скорости ветра и температуры. Но подобные измерения имеют малую точность, поскольку датчики ( температуры) имеют большое время усреднения,

а отыскание расстояния, на котором находящиеся на разных уровнях по вертикали датчики температуры покажут одинаковый квадрат градиента средней температуры и измерение дисперсии пульсаций разности

температур на этих же уровнях - задача трудоемкая и требующая значительного времени. Кроме того, для проведения дистанционных измерений, а также измерения больших масштабов турбулентности потребовалось бы поднимать датчики от поверхности земли и устанавливать их на мачты, аэростаты и пр.

Таким образом, базовый объект обладает рядом существенных недостатков, от ко-.

торых свободен предлагаемый способ измерения внешнего масштаба турбулентности.

±.