Радиоакустический способ измерения параметров ветра и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01S13/95 

стический излучатель 3, радиопередатчик 4, передающую 5 и приемную 6 антенны, радиоприемник 7, блок 8 стробирования, первый квадратор 9, линейный детектор 10, первый 11 и второй 12 интеграторы, второй квадратор 13 и вычислительный блок 14,

Сущности предлагаемого способа заключается в следующем,

В бестурбулентной атмосфере распространяющийся акустический пакет однороден, т.е. может быть представлен как совокупность иаровых сегментов, расстояние между которыми по нормали равно длине акустической волны в атмосфере. Поэтому при его облучении радиосигналом из того же центра фазы поля, отраженного от всех точек одного шарового сегмента, одинаковы, а фа ш полей, отраженных от соседних шарппух ссгменьов, отличаются на In .В результате все, составляющие поля отраженного радиосигнала складываются в фазе и такое поле может трактоваться как поле зеркально отраженного сигнала. При наличии турбулентности, масштаб которой (размер атмосферных вихрей) соизмерим с длиной акустической волны, происходит неупорядоченное разрушение структуры каждого из шаровых сегментов (с сохранением средней конфигурации), что приводит к хаотическому изменению во времени фаз элементарных сигналов, отраженных от различных точек каждого шарового сегмента и соседних шаровых сегментов. В результате суммирования элементарных сигналов с разными фазами формируется случайное поле рассеянного сиг.(ала. Таким образом, в реальных условиях суммарное поле отраженного CHI нала содержит зеркальную Ез и рассеянную fp составляющие

Г Рч fp.

причем соотношение между их значениями характеризует степень турбулентности, С увеличением турбулентности Еги rj уменьшаются, а отношение увеличивается, оставснсь всегда меньше единицы.

Рассеянная составляющая представляет собой совокупность Большего числа компонент epiотртженнмх от отдельных (1-х) неоднородностей

еР Е ePi i

Как известно, огибающая суммы регулярного сигнала сигнала и большого числа случайных сигналов со случайными фазами, каждый из которых значительно меньше регулярного, распределена по обобщенному закону Релея (закону Раиса), плотность которого с2 , Г2 Р р- ЧЕ)|еф() оф, /(1)

где Е - огибающая суммарного сигнала.

Ео - огибающая регулярной составляющей (зеркальной составляющей):

г

EI - амплитуды случайных составляющих,

Тогда (Е)й|Е (1+)2 Е2

)

E.JEUIEWE.,

.

(3)

-Ч

где 10 и И - функцияБесселя мнимого аргумента. Из (2) и (3) следует, что

2.

1 fcЈ

ехР((Я(ир,2)

где

k ---;(4)

Выражение (4) можно также представить в видер

40

где

К 2,(

2.

Зависимость f(K) представлена на фиг.

Рабочий участок кривой в диапазоне изменения К от -14 до +6 дБ характеризует

измеряемый диапазон интенсивностей турбулентности.

В настоящее время принято деление уровней турбулентности в атмосферном пограничном слое и четыре класса по степени

воздействия на летательные аппараты и может быть количественно описана средне- квадратическими значениями пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра, Эти пульсации являются причиной нарушения когерентной структуры излучаемого акустического пакета в предлагаемом способе, и следовательно, перераспределения энергии между зеркально-отраженной и рассеянной составляющими поля радиосигнала. Указанный эффект обнаруживается в

результате измерений статистических характеристик принимаемого радиосигнала.

В зависимости от величины среднеквадратичных пульсаций вертикального ветра о , с которыми связано значение К, различают следующие уровни турбулентности:

Слабая ( (Ь 0,5 м/с; дБ);

умеренная (0,5 м/с ,5 м/с, -10дБ дБ);

сильная (2,5 м/с м/с, дБ;

штормовая ( а, 4 м/с, дБ)

Устройство для осуществления радиоакустического способа измерения пармет- ров ветра работает следующим образом.

Синхронизатор 1 запускает импульсный акустический генератор 2 с частотой следования импульсов, определяемой максимальной высотой зондирования. Акустический импульс излучается посредством акустического излучателя 3 вертикально вверх, Радиоприемник 4 с помощью передающей антенны 5 облучает движущийся акустический пакет непрерывными электромагнитными колебаниями. Отраженный от движущегося акустического пакета радиосигнал принимают с помощью приемной антенны 6 радиоприемника 7 . Выходной сигнал радиоприемника стробируют в блоке 8 стробирования строб-импульсом от синхронизатора 1 с задержкой относительно излученного акустического импульса, соответствующей зада иному участку высоты. Стробированный сигнал детектируется одновременно в квадратичном 9 и линейном 10 детекторах, с выходов детекторов детектированные сигналы поступают на первый 11 и второй 12 интеграторы, в которых соответственно выполняются операции

Г2 1

1

Е /E2(t)dt и (t)dt ,

°о

где Т - выбранный интервал усреднения.

С выхода первого интегратора 11 непосредственно и с выхода второго интегратора 12 через квадратор 13 сигналы Е2 и Ё2 поступают в вычислительный блок 14, в котором решается уравнение

тУК

|г 4exPlT l U

fr

л Мп

VP

1

+-1 (- V J|Uk2

,1Г

2k2J V J42k2/J относительно k. По вычисленному значению К 20lgk производится классификация турбулентности.

Таким образом, предлагаемый способ позеоляет определить наличие турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы и призвести ее классификацию. 5

Формула изобретения

1.Радиоакустический способ измерения параметров ветра, заключающийся в том, что

10 излучают вертикально вверх акустический импульс синусоидальных колебаний, облучают возникающие от акустического импульса неоднородности среды непрерывными электромагнитными колебаниями с длиной вол15 ны, равной удвоенной известной длине волны акустических колебаний, принимают отраженные сигналы, отличающийся тем, что, с целью определения уровня турбулентности в атмосферном пограничном

20 слое, после приема отраженных сигналов их стробируют в каждом цикле излучения акустического импульса на заданном участке высоты, измеряют среднее значение квадрата огибающей стробированного сигнала и

25 квадрат среднего значения его огибающей на интервале, не превышающем время стационарности атмосферных процессов, и по измеренным значениям параметров огибающей сигнала определяют уровень турбу30 лентности атмосферы.

2.Устройство для осуществления радиоакустического способа измерения параметров ветра, включающее последовательно соединенные импульсный

35 акустический генератор и акустический излучатель, последовательно соединенные радиопередатчик и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну и радиоприемник, а также вычисли40 тельный блок, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные синхронизатор, блок стробирования, первый квадратор и первый интегратор, последовательно соединенные линейный де45 тектор. второй интегратор и второй квадратор, причем второй выход синхронизатора подключен к управляющему входу импульса акустического генератора, второй вход блока строЬирования соединен с выхо50 дом радиоприемника, а выход подключен также к входу линейного детектора, выходы первого интегратора и второго квадратора подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока, вы55 ход которого является выходом устройства для осуществления радиоакустического способа измерения параметров ветра.

Шиг.1

Изобретение относится к радиометеорологии, а именно к контолю за уровнем турбулентности в атмосферном пограничном слое, и может быть использовано для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, а также для прогнозирования условий распространения ультракоротких волн. Цель изобретения состоит в определении уровня турбулентности в атмосферном пограничном слое. Данный способ включает излучение вертикально вверх акустического импульса синусоидальных колебаний, облучение возникающих неоднородностей среды непрерывными электромагнитными волнами с длиной вдвое большей длины акустической волны, прием отраженных электромагнитных волн, их стробирование, измерение среднего значения квадрата огибающей стробированного сигнала и квадрата среднего значения его огибающей, а также вычисление по измеренным параметрам уровня турбулентности атмосферы. Устройство, реализующее указанный способ, содержит радиопередатчик, передающую антенну, синхронизатор, импульсный акустический генератор, акустический излучатель, приемную антенну, радиоприемник, два квадратора, два интегратора, вычислительный блок, блок стробирования и линейный детектор. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.