Радиоакустический способ зондирования атмосферы Советский патент 1991 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для дистанционной регистрации метеовеличин (температуры воздуха, скорости ветра) в тропосфере для метеообеспечения нужд народного хозяйства и научных исследований.

Цель изобретения - уменьшение времени зондирования.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - пространственное расположение исследуемого объекта и измерительной аппаратуры.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит акустический излучатель 1 и передающую радиоантенну 2, расстояние между которыми может изменяться с помощью механизма 3 изменения базы (реечного), механически соединенного с акустическим излучателем 1, передающей радиоантенной 2 и механизмом 4 вертикального подьема, усилитель 5 звуковых колебаний, звуковой генератор 6, микроЭВМ 7, радиопередатчик 8, радиоприемник 9, приемную радиоантенну 10, причем приемная радиоантенна 10 механически соединена с механизмом 11 ориентирования антенны в азимутальной и угломестной плоскостях, жестко соединенного с мачтой 12, измеритель 13 доплеровского сдвига частоты, измеритель 14 амплитуды и цифропеча- тающее устройство 15.

Сущность способа заключается в следующем.

Сферический волновой фронт Ф (фиг.2) акустического импульса, излученного акустическим излучателем с центром в точке А, фокусирует электромагнитные волны, излученные из точки П и падающие на волновой фронт, в пятно определенных размеров. Крайний левый радиолуч, падающий на точку фазового фронта волны синусоидального

w

Ј

О

ел

00

о ел

заполнения акустического импульса Ф, отражается от него так, что угол ПФ А равен углу АФ11 F1. Крайний правый радиолуч отражается так, что угол ПФ А равен углу АФ F1 Однако фокусирование электромагнитных волн будет выполнено в точке F1, а не в точке F, потому, что в практических системах радиоакустического зондирования, построенных по бистатической конфигурации, всегда имеет место разность фазовых центров аку- стического (А) и электромагнитного (П) излучателей.

Под действием горизонтального ветра волновые фронты акустического импульса будут переноситься вдоль поверхности. По- этому крайние (левый и правый) радиолучи, отражаясь от смещенного ветром фронта Фт и проходя равные пути до фокуса (ПФ1МР1 и ПФ/Fi), пересекутся в точке FI поверхности Pi. Для смещенного ветром фазового фронта главной его оптической осью является прямая А О , где А - фазовый центр мнимого акустического излучателя, Все остальные радиолучи, падающие на сферический волновой фронт Фт, сфокуси- руются в точке FI. Вследствие турбулентности атмосферы и конечности размеров сферического фронта вместо точечного фокуса в окрестности FI образуется пятно сфокусированных радиолокационных сигналов на поверхности Pi. Это пятно становится источником вторичного излучения электромагнитных волн, направленного в верхнюю полусферу. С помощью высокочувствительного приемного устройства и приемной ра- диоантенны со специальной формой диаграммы направленности (иглообразной, косекансной и т.д., в зависимости от вида получаемой метеоинформации), размещенной в пространстве над подстилаю- щей поверхностью и сориентированной максимумом диаграммы направленности на центр фокального пятна, можно принимать вторичное излучение из окрестности точки FI и анализировать параметры принятого сигнала для извлечения данных о метеовеличинах.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Звуковой генератор б вырабатывает электрические колебания, усиливаемые усилителем 5, который по командам микроЭВМ 7 формирует пачки колебаний звуковой частоты, подаваемые на акустический излучатель 1, который преобразует пачки электрических колебаний в акустические импульсы с синусоидальным заполнением, распространяющиеся вертикально вверх в атмосфере. Радиопередатчик 8 генерирует

электрические колебания радиочастоты, которые с помощью передающей радиоантенны 2 облучают сферические волновые фронты акустического импульса. Под действием горизонтального ветра сферические волновые фронты акустического импульса смещаются от геометрической оси. проходящей через акустический излучатель 1, и для фокусирования радиолокационных сигналов, отраженных от сферических волновых фронтов акустического импульса, на подстилающую поверхность (на фиг.2 -Pi) подбирают последовательным изменением расстояния между акустическим излучателем 1 и передающей радиоантенной 2 с помощью механизма 3 изменения базы расстояние между ними и, при необходимости, уровень размещения акустического излучателя 1 и передающей радиоантенны 2 относительно подстилающей поверхности с помощью механизма 4 вертикального подъема. С помощью механизма 11 ориентирования, установленного на мачте 12, изменяют угол визирования так, чтобы направление визирования приемной радиоантенны 10, а следовательно, и направление максимума диаграммы направленности, пересекалось с центром фокального пятна. Отраженные от поверхности радиолокационные сигналы принимаются приемной радиоантенной 10, усиливаются радиоприемником 9, в котором производится выделение доплеровского сдвига частоты и амплитуды принятых радиолокационных сигналов; выделение доплеровского сдвига частоты осуществляется с использованием части мощности колебаний частоты радиопередатчика 8, поступающей на вход радиоприемника 9. Доплеровский сдвиг частоты измеряется измерителем 13 доплеровской частоты, а амплитуда радиолокационных сигналов - измерителем 14 амплитуды, после чего результаты измерений записываются в память микроЭВМ 7 для расчета метеовеличин. Результаты расчета выводятся из микроЭВМ 7 по окончанию вычислений на цифропечатающее устройство 15. Точное наведение визира антенны на середину фокального пятна обеспечивают путем предварительного измерения амплитуды принимаемых радиолокационных сигналов с помощью измерителя 14 амплитуды и сравнением полученных значений амплитуды с расчетным значением, В случае больших расхождений сравниваемых значений амплитуды изменяют угол визирования антенны в азимутальной и уг- ломестной плоскостях до тех пор, пока разница в сравниваемых амплитудах станет минимальной.

Расчет площади поверхности, на которой предполагают наблюдать пятно сфокусированных радиолокационных сигналов, ведут при выбранном значении максимальной скорости ветра, при которой мо- жет производиться радиоакустическое зондирование тропосферы по упрощенной формуле для радиуса R площади

R vH/C

где v - средняя скорость ветра в зондируемом слое;

Н - высота верхней границы слоя;

С - скорость звука, определяемая по приземной температуре воздуха.

Диаметр поверхности, окружающей основание мачты, может составлять 660-700 м. Для проведения метеоизмерений при любом направлении ветра акустические и электромагнитные излучатели необходимо разместить по схеме фиг.2 на концах двух диаметров этой поверхности, перпендикулярных друг другу (для простоты направления диаметров можно совместить с направлением сторон света), а приемная радиоантенна должна иметь возможность разворота (например, с помощью поворотной платформы) по азимуту в пределах 0- 360°.

Формула изобретения Радиоакустический способ зондирования атмосферы, заключающийся в том, что излучают вертикально вверх акустический импульс с синусоидальным заполнением, облучают возникающие от акустического импульса неоднородности среды электромагнитными волнами, длина волны которых вдвое больше длины волны синусоидального заполнения акустического импульса, принимают отраженные акустическим импульсом электромагнитные волны, измеряют амплитуду и частоту до- плеровского сдвига отраженных электромагнитных волн, вычисляют по измеренным амплитуде и частоте доплеровского сдвига отраженных электромагнитных радиоволн параметры атмосферы, отличающийся тем, что. с целью уменьшения времени зондирования, прием отраженных радиоволн осуществляют после их переотражения от подстилающей поверхности, для чего размещают приемную антенну над подстилающей поверхностью и ориентируют ее так, чтобы направление максимума диаграммы направленности приемной антенны совпало с центром фокального пятна отраженных радиоволн на подстилающей поверхности, сфокусированного сферическими волновыми фронтами акустического импульса.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения метеовеличин, таких как температура и скорость ветра в атмосфере. Целью изобретения является уменьшение времени зондирования. Для этого отраженный от акустического импульса радиосигнал принимается после его переотражения от подстилающей поверхности, для чего приемная антенна расположена над подстилающей поверхностью и ориентируется так, чтобы центр ее диаграммы направленности совпал с центром фокального пятна отраженных акустическим импульсом радиоволн. 2 ил.

Фиг /