Радиоакустическое устройство для измерения сдвига ветра Советский патент 1991 года по МПК G01S13/95 

фиг. 1

тенны 18-21, две суммарно-разностных блока 3 и 5, блок 4 суммы, три блока 6, 7 и 8 усиления, два фазовращателя 9 и 11 на 90° блок 10 АРУ, два блока 12 и И измерения углов прихода радиосигнала, блок 13 измерения доплеров- скойчастоты, генератор 16 синхроимпульсов и вычислительный блок 15, что позволяет

реализовать многоканальный прием радиосигнала, отраженного от переносимого ветровыми потоками акустического пакета. Таким образом обеспечиваются измерение угловых координат пакета и вычисление скорости и направления горизонтального ветра и его сдвига по высотам. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокационным устройствам метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов. Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига ветра в приземном слое атмосферы. Цель достигается тем, что радиоакустическое устройство содержит генератор 2 импульсов звуковой частоты, акустическую антенну 22, генератор 1 радиочастоты, радиопередающую антенну 17, четыре радиоприемные ан

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема радиоакустического устройства для измерения сдвига ветра; на фиг.2 - траектория движения акустического пакета под действием ветровых потоков и конфигу- рация антенной системы радиоакустического устройства.

Радиоакустическое устройство содержит генератор 1 радиочастоты, генератор 2 импульсов звуковой частоты, первый суммарно- разностный блок 3, блок 4 суммы, второй суммарно-разностный блок 5, три блока 6-8 усиления, первый фазовращатель 9 на 90°, блок 10 автоматической регулировки усиления, второй фазовращатель 11 на 90°, первый блок 12 измерения углов прихода, блок 13 измерения допплеровской частоты, второй блок 14 измерения углов прихода, вычислительный блок 15, генератор 16 синхроимпульсов, радиопередающую антенну 17, четыре радиоприемные антенны 18-21, акустическую антенну 22.

Радиоакустическое устройство для измерения сдвига ветра работает следующим образом.

По команде из генератора 16 синхроимпульсов генератор 2 импульсов звуковой частоты с помощью акустической антенны 22 излучает акустический импульс вертикально вверх. Траектория движения акустического пакета под действием воздушных потоков (фиг.1) может быть описана как перемещение конца радиус-вектора R(t), соединяющего точку излучения (начало координат) с текущим местоположением акустического пакета.

Излученный акустический импульс соос- но облучается непрерывным радиосигналом с помощью генератора 1 радиочастоты и радиопередающей антенны 17. Отраженный радиосигнал принимают четырьмя радиопри- емными антеннами 18-21, обрабатывают в суммарно-разностных блоках 3 и 5, блоке 4 суммы, усиливают до необходимого уровня и нормируют с помощью блока 10 автоматической регулировки усиления (АРУ) в блоках

6-8 усиления сигнала, в блоке 13 измеряют допплеровский сдвиг частоты отраженного сигнала, а в блоках 12 и 14 - углы прихода аи/3 отраженного радиосигнала во взаимно перпендикулярных плоскостях XOZ и YOZ соответственно. Ввиду прямолинейности распространения радиоволн длина вектора R(t) может быть вычислена по измеренному значению допплеровского сдвига частоты FA(t) по формуле

R(t) jVR(t)(t)dt,

О О

где VR- радиальная скорость распространения акустического пакета;

Ae длина радиоволны.

Текущие значения углов а (т.) и Дт.), характеризующих угловое положение радиус-вектора R(t), содержатся в сигналах, формируемых взаимосвязанными приемными антеннами 18-21 и блоками 3-5.

Фазовый сдвиг Ау , обусловленный разностью хода отраженного радиосигнала от центра пакета до фазовых центров антенн 18 и 21, равен

Ду 2л1 sina/Яе,

где I - расстояние между фазовыми центрами антенн 18 и 21.

После усиления с нормировкой по суммарному сигналу в блоках 6 и 8 с помощью блока 10 АРУ в разностный сигнал вводится дополнительный фазовый сдвиг 90°. Это необходимо для того, чтобы обеспечить равенство нулю выходного напряжения блока измерения.угла «при совмещении центра акустического пакета с равносигнальным направлением.

С учетом работы АРУ по суммарному сигналу и коэффициента передачи Кфд фазового детектора на выходе фазового детектора, входящего в блок 12, имеют

3(а)Кфд -tg fefsina).

1

Величина 5$ определяет пеленгацмонную характеристику радиоакустической системы в плоскости XOZ и одновременно является напряжением на выходе фазового детектора блока 14. Полярность напряжения на выходе блока 12 определяет направление отклонения пакета, а величина - сте- 5 пень отклонения.

Измеренные значения FA(t), o(t) и/(х) поступают в вычислительный блок 15, где вычисляются составляющие скорости горизонтального ветра в каждом i-м слое по алгоритмам10

i+fi+1

Vt(,Fp

1/1

(v) .

f 2 ) При этом модуль сдвига ветра определяется как

a(j-i) lVrlj-lVrii Vp |f + IVy|f- 20

Л VyiF

а направление сдвига ветра

- ) р, - pi arctg - arctg

Величина I - база системы, является одним из наиболее существенных параметров системы, поскольку она определяет крутизну пеленгационной характеристики системы (точность определения угла), а также неоднозначность измерений, вызванную набегом фазы, кратным л . Минимальная величина базы I ограничена размерами совмещенных акустической и радиопередающей антенн, а максимальная ее величина - расстоянием, при котором еще обеспечивается однозначность измерений

1макс ле/2 Sin (2макс

При заданной длине волны величина 1макс определяется максимальным измеряемым УГЛОМ «макс.

В случае радиоакустики величина Ј2макс это максимально возможное отклонение центра акустического пакета за счет сноса его горизонтальным ветром. При очень сильном ветре 30 м/с, ( 108 км/ч) постоянном по высоте зондирования, отклонение пакета в одной плоскости не превысит 6°,

ПОЭТОМУ 1макс 5Ае.

Диаметр радиопередающей и акустической антенн определяется прежде всего необходимой шириной диаграммы направленности на уровне половинной мощности. Необходимо, чтобы даже при максимальном сносе пакета ветром центр его всегда находился в пределах главного лепестка диаграммы направленности радиопередающей антенны и всегда облучался электромагнитной энергией. Ширина диаграммы направленности акустической антенны в плоскостях XOZ и YOZ должна быть равна Омакс , радиопередающей антенны - 2омакс и 2 /We, a

5

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

каждой из четырех.радиоприемных антенн - не менее

.д (dn/2nAa),

где «макс и /Змакс предепьно возможные углы сноса акустического пакета от вертикали в плоскостях XOZ и YOZ;

Ае длина радиоволны;

Х& длина акустической волны;

dn - диаметр радиопередающей антенны;

п - число периодов акустической волны в пакете.

Крутизна пепенгационной характеристики равна

П l/Ae

Отсюда видно, что крутизна (точность) при фиксированной Ае прямо пропорциональна базе системы I. Поэтому в допустимых пределах величина I выбирается исходя из необходимой точности определения углов прихода и допустимыми габаритными разме- сзми всей системы.

Формула изобретения Радиоакустическое устройство для измерения сдвига ветра, включающее последовательно соединенные генератор импульсов звуковой частоты и акустическую антенну, последовательно соединенные генератор радиочастоты и радиопередающую антенну, первую радиоприем.ную антенну, первый и второй блоки измерения углов прихода отраженного радиосигнала, блок измерения допплеровской частоты и вычислительный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены три радиоприемные антенны, два суммарно-разностных блока, блок суммы, три блока усиления, два фазовращателя на 90°, блок автоматической регулировки усиления и генератор синхроимпульсов, причем первая и четвертая радиоприемные антенны подключены соответственно к первому и втооому входам первого суммарно-разностного блока, вторая и третья радиоприемные антенны подключены к первому и второму . суммирующие выходы первого и второго суммарно-разностных блоков подключены соответственно к первому и второму входам блока суммы, разностные выходы первого и второго суммарно-разностных блоков подключены к первым входам первого и третьего блоков усиления, выходы которых через фазовращатели на 90° подключены соответственно к первым входам первого и второго блоков измерения углов прихода, первый вход второго блока усиления соединен с выходом блока суммы, а выход подключен к входу блока автоматической регулировки усиления, вторым входам первого и второго блоков измерения углов прихода, первому входу блока измерения допплеровской частоты, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока, выход блока автоматической регулировки усиления подключен к вторым входам первого, второго и третьего блоков усиления, первый выход генератора синхроимпульсов подключен к входу генеJZ

ратора звуковой частоты, второй выход генератора синхроимпульсов - к четвертому входу вычислительного блока, выходы первого и второго блоков измерения углов прихода подключены соответственно к первому и третьему входам вычислительного блока, второй выход генератора радиочастоты подключен к второму входу блока измерения допплеровской частоты.

/