Устройство для определения параметров турбулентности в атмосферном пограничном слое Советский патент 1992 года по МПК G01W1/06 

Изобретение относится к метеорологии, предназначается для дистанционного исследования атмосферного пограничного слоя методом акустической локации и для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов.

изобретения - упрощение конструкции устройства.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства при моностатическом методе зондирования; на фиг.2 - то же, при бистатическом методе зондирования.

Устройство при использовании моностатического метода зондирования содержит приемно-передающую антенну 1с громкоговорителями, переключатель числа громкоговорителей 2, датчик ветра 3, коммутатор 4, передатчик 5 и приемник 6. Выход приемника 6 соединен с входом блока стробирования 7, к выходу которого подключены квадратичный детектор 8 и линейный детектор 9, соединенные с блоками интегрирования и усреднения 10 и 11. К выходу блока 11 подключен квадратор 12. Выходы блоков 10 и 12 подключены к входам блока вычисяений и регистрации 13.

Устройство при использовании бистатического метода зондирования содержит передающую антенну 1, передатчик 2 и многоэлементную приемную антенну 3, соединенную с переключателем числа элементов 4, управляемого от датчика ветра 5. Приемник 6 так же как и в устройстве для испЬльзования моностатического метода

зондирования связан с квадратичным 7 и линейным 8 детекторами, блоками интегрирования и усреднения 9 и 10, квадратором 11 и блоком вычислений и регист эации 12.

В обобщенной схеме устройства датчики ветра, переключатель числа элементов многоэлементной антенны или переключатель числа громкоговорителей, датчик ветра, коммутатор и блок стробирования могут быть представлены блоком выделения эхосигнала от рассеивающего объема, поскольку выполняют одну и ту же функцию.

Устройство для осуществления способа при моностатическом методе зондирования работает следующим образом. Передатчик 5, запускаемый импульсами от блока 13 с частотой следования, определяемой максимальной высотой зондирования, через коммутатор, управляемый от блока 13 теми же импульсами, с помощью антенны 1 излучает акустические импульсы вертикально вверх. Отраженный эхо-сигнал принимают с помощью антенны 1 через переключатель 2 и коммутатор4 приемником 6. Выходной сигнал приемника стробируют в блоке 7 С задержкой относительно излученного акустического импульса, соответствующего вьТВранному участку высоты. Стробированный сигнал детектируется одновременно в квадратичном детекторе 8 и линейном детекторе 9. С выходов детекторов сигналы поступают на блоки интегрирования и усреднения 10, 11, с выхода блока 10 непосредственно и с выхода блока 11 через квадратор 12 сигналы поступают в вычислительный блок.

Устройство для осуществления способа при бистатическом зондировании работает аналогично, однако высота исследуемого слоя выбирается путем пересечения диаграмм направленности разнесенных передающей и приемной антенн. Блок стробирования не требуется.

В пограничном слое воздуха происходит дробление турбулентных вихрей до тех пор, пока не достигается величина числа Рейнольдса, меньшая критического значения. Возникшие самые мелкие возмущения, размер которых соответствует внутреннему масштабу турбулентности, устойчивы. Сильные отраженные акустические сигналы возникают при достаточно большой спектральной плотности температурных флуктуации, масштаб которых равен гюловине длины падающей звуковой волны. Поскольку пульсации температуры и пульсации ветра коррелированы, отраженный акустический сигнал несет информацию об атмосферной турбулентности, интенсивность которой может быть определена по измеряемым характеристикам этого сигнала. При этом крупномасштабная,турбулентность вызывает лишь дополнительное смещение всего спектра допплеровских частот отраженного сигнала по частотной оси. Мелкомасштабные вихри и температурные пульсации, соизмеримые с размерами рассеивающего объема и длиной волны акустического локатора, вызывают флуктуации огибающей эхо-сигнала и расширение его спектра.

Огибающая эхо-сигнала при одинаковом порядке величин случайных составляющих входного сигнала и равномерном распределении фаз распределена по обобщенному закону Рэлея (закону Раиса)

(Ю-|е.р(4)1оф,

где Е - огибающая суммарного выходного сигнала;

ЕО - амплитуда регулярной составляющей входного сигнала;

. Ei - амплитуда случайных составляющих входного сигнала.

Параметромобобщенного закона Рэлея, характеризующим процессы формирования результирующего сигнала, является величина k ЕО/ОЕ При наличии в рассеивающем объеме устойчивой горизонтальной стратификации растет регулярная составляющая и падает сумма рассеянных составляющих отраженного сигнала, в результате параметр k увеличивается. При разрушении горизонтальной стратификации и увеличении турбулентности резко падает регулярная составляющая и величина k уменьшается в пределе, стремясь к нулю.

В неявной форме зависимость k-OT параметров регистрируемого эхо-сигнала можно представить в виде

f j-ч IJ .-, l,

(1 + k) exp k

.4 л

(1+k)lo(f + ()f

где io и li функции Бесселя нулевого и первого порядков.

Атмосферная турбулентность подразделяется на четыре класса по степени воздействия на летательные аппараты и может быть количественно описана среднеквадратическими значениями пульсаций вертикальной составляющей скорости ветра.

В таблице приведены количественные критерии деления интенсивности турбулентности на классы по величине среднеквадратических значений пульсаций

вертикального ветра и соответствующим им значениям параметра К 20 Ig k.

Формула изобретения.

Устройство для определения параметров турбулентности в атмосферном пограничном слое, включающее передатчик, блок выделения эхо-сигнала, приемник, связанный с блоком вычиcheний, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью упрощения конструкции, связь между приемником и блоком вычислений осуществлена через введенные, последовательно соединенные линейный детектор, первый блок интегрирования и усреднения и квадратор, подключенный к первому блока вычислений, и через введенные, последовательно соединенные квадратичный детектор и второй блок интегрирования и усреднения, подключенный к второму входу блока вычислений.

Изобретение относится к метеорологии, и предназначено для дистанционного исследования атмосферного слоя методом акустической локации для метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов и позволяет упростить определение интенсивности турбулентности путем оценки статистических характеристик принимаемого эхо-сигнала. Выделяют акустический эхо- сигнал, соответствующий исследуемому объему атмосферы. Используя квадратичный детектор 8 и блок интегрирования 10, измеряют среднее значение квадрата огибающей эхо-сигнала. Используя линейный детектор 9, блок интегрирования 11 и квадратор 12 измеряют квадрат среднего значения огибающей. Категорию интенсивности турбулентности атмосферы определяют, вычисляя отношение измеренных параметров. 2 ил.•

Фиг, г