Способ определения влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01S13/95 

электромагнитного сигнала зависит не только от молекулярного ослабления звука, определяемого наличием водяного пара а атмосфере, но и от скорости ветра и турбулентности атмосферы.

Целью изобретения является повышение точности определения влажности воздуха при зондирования п условиях турбулентности и наличия ветра в атмосфере.

Поставленная цель достигается тем, что одновременно с основным излучают дополнительный акустический импульс, принимают радиосигнал, отраженный от дополнительного акустического импульса, и измеряют его мощность, принимают отраженный от температурных неоднородностей атмосферы суммарный (основной и дополнительный) акустический сигнал, определяют мощность и доплеровский сдвиг частоты этого сигнала, принимают отраженный от ветровых неоднородностей атмосферы суммарный акустический сигнал и измеряют его мощность, определение коэффициента ослабления ведут с учетом мощностей радиосигналов, отраженных от основного и дополнительного акустических импульсов, и мощностей суммарных акустических сигналов, отраженных от температурных и ветровых неодуородностей атмосферы, а частоту доплеровского сдвига суммарного акустического эхо-сигнала используют при определении температуры воздуха. При этом точку излучения дополнительного акустического импульса выносят навстречу ветру на расстояние 0.5-5 м от, точки излучения основного акустического импульса, суммарный акустический сигнал, отраженный от температурных неоднородностей атмосферы, принимают в точке излучения основного акустического импульса, а суммарный акустический сигнал, отраженный от ветровых иеоднородностей атмосферы, принимают в точке, вынесенной навстречу ветру по линии, проходящей через точки излучения акустических импульсов, в направлении на трассу зондирования под углом 45° к горизонту.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации данного способа.

Устройство содержит доплеровский оадиолокатор 1 с передающей 2 и приемной 3 антеннами, доплеровский содар 4 с антенным переключателем 5, приемно-передающей 6. передающей 7 и приемными 8 антеннами, блок 9 формирования импульсов, блок 10 измерения параметров радиосигналов, блок 11 измерения параметров

акустических сигналов, ЭВМ 12 и регистратор 13.

Работа по данному способу происходит следующим образом.

Размещают передающую 2 и приемную

3 радиоантенны так. чтобы направление ветра было перпендикулярно к линии О О , соединяющей эти антенны. От середины данной линии выносят вдоль ли0 ими 00 приемно-передающую антенну 6(иа 0,15-5 м), передающую антенну 7 (на 0,5-5 м) и приемную антенну 8 доплеровского содарз 4. При этом приемную антенну 8 выносят на расстояние, при котором направление приема акустического эхо-сигнала, отраженио го от зондируемого слоя, составляет угол 45°. отсчитываемый от горизонтали,

С помощью приемно-передающей 6 и передающей 7 антенн одновременно вертикально вверх по сигналам блока формирования импульсов, генерируемых по командам ЭВМ, излучают два акустических импульса П1 и П2 с синусоидальным запол};ением и одинаковыми энергетическими характери5 стиками. а при помощи передающей антенны 2 доплеровского радиолокатора излучают электромагнитный сигнал сдли тной волны, в два раза большей длины волны синусоидального заполнения акустических

0 импульсов.

Распространяясь одновременно и в одинаковых условиях, оба акустических импульса подвергаются одинаковому воздействию со стороны атмосферы. Под

5 действием ветра акустические импульсы последовательно пересекут совмещенные диаграммы направленности (ось О О на чертеже) передающей 2 и приемной 3 радиоантенн сначала импульс, излученный ан0 тениой 6. затем импульс, излученный антенной 7. причем высота пересечения оси О О первым импульсом определяет нижнюю границу зондируемого слол. а высота пересечения той же оси вторым импульсом - его верхнюю границу. В момент пересечения оси О О акустические импульсы облучаются электромагнитными волнами, которые частично отражаются от них и принимаются антенной 3, В блоке 10

0 измерения параметров радиосигналов производится измерение мощностей радиосигналов, доплеровского сдвига частоты первого радиосигнала и интервала времени между появлением отраженных радиосигналов и полученные данные заносятся в память ЭВМ.

Для получения характеристик турбулентности с целью учета ее влияния на коэффициент ослабления звука с помощью антенны 6 принимают суммарный акустический сигнал, отраженный от температурных неоднородностей атмосферы, а при помощи антенны 8 - акустический сигнал, отраженный от ветровых неоднородностей. Через антенный коммутатор 5 акустические эхо-сигналы поступают на приемник доплеровского содара, где усиливаются, а затем подаются на вход измерителя 11 параметров акустических сигналов, в котором производится измерение мощностей акустических эхо-сигналов и доплеровского сдвига частоты акустич еского сигнала, отраженного от температурных неоднородностей, и эти данные заносятся в память ЭВМ.

После этого ЭВМ переводится в режим расчета коэффициента ослабления звука и температуры воздуха в зондируемом слое. По значению доплеровского сдвига частоты радиолокационного эхо-сигнала и измеренного интервала времени вычисляется толщина зондируемого слоя, которая наряду со значениями мощности акустических сигналов используется для восстановления убывающей экспоненты, показатель которой равен коэффициенту ослабления звука, не зависящему от скорости ветра. Значения мощностей акустических эхо-сигналов и данные о технических параметрах доплеровского содара 4 используются для расчета структурных постоянных пульсаций температуры воздуха и скорости ветра, необходимых для вычисления коэффициентов турбулентного ослабления звука и уменьшения мощности электромагнитного эхо-сигнала за счет укорочения радиуса поперечной когерентности фазового фронта звуковых волн. Рассчитанный коэффициент ослабления звука корректируется с использованием коэффициентов турбулентного ослабления звука и уменьшения мощности электромагнитного эхо-сигнала, после чего коэффициент ослабления звука соответствует коэффициенту молекулярного ослабления звука.

По значению доплеровского сдвига частоты электромагнитного эхо-сигнала рассчитывается температура воздуха, а по значению доплеровского сдвига частоты акустического эхо-сигнала - вертикальная компонента скорости ветра, которая используется для расчета поправки при определении температуры воздуха.

Вычисленные значения коэффициента ослабления звука и температуры воздуха выводятся на цифропечатающее устройство 13 и используются для определения искомого значения влажности воздуха.

Значения структурных постоянных пульсаций температуры воздуха и скорости

ветра корректируются с помощью калибровочных коэффициентов вида Кп {Сп-СпУ(Сп-Сп),

где (СпСп) - структурная постоянная пуль5 саций метеовеличины, вычисленная по мощности суммарного акустического эхосигнала:

(Сп Сп) - то же, вычисленное по мощности, принятой от одного акустического им0 пульса;

п - вид метеовеличины (температура или скорость).

Профиль влажности можно получить, используя большее число точек излучения 5 акустических импульсов, например 3-10.

Изобретение позволяет одновременно измерять скорость ветра в зондируемом слое по выражению

V r/dt,

0 где г - расстояние между точками излучения акустических импульсов:

dt- измеренный временной интервал.

Формула изобретения

5 Способ определения влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы путем излучения вертикально вверх в атмосферу акустического импульса с синусоидальным заполнением, облучения

0 распространяющегося акустического импульса электромагнитным сигналом, длина волны которого вдвое больше длины волны акустического импульса, приема отраженного от акустического импульса злектромаг5 нитного сигнала и измерения его мощности и частоты доплеровского сдвига, определения температуры воздуха и коэффициента ослабления звука и определения влажности по значениям температуры и коэффициента

0 ослабления звука, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения влажности при зондировании в условиях турбулентности и наличия ветра в атмосфере, одновременно с основным излу5 чают дополнительный акустический импульс, принимают электромагнитный сигнал, отраженный от дополнительного акустического импульса, и измеряют его мощность, принимают отраженный от температурных неоднородностей атмосферы суммарный {основной и дополнительный) акустический сигнал,и измеряют его мощность и доплеровский сдвиг частоты, принимают отраженный от ветровых

5 неоднородностей атмосферы суммарный акустический эхо-сигнал и измеряют его мощность, причем определение коэффициента ослабления звука ведут с учетом мощностей электромагнитных сигналов,

отраженных от основного и дополнительного акустических импульсов, и мощностей суммарных акустических эхо-сигналов, отраженных от температурных и ветровых неоднородностей атмосферы, а частоту доплеровского сдвига суммарного акустического сигнала используют при определении температуры воздуха, причем точку излучения дополнительного акустического импульсы выносят навстречу ветру на расстояние 0,5- м от точки излучения ос8

новного акустического импульса, суммарный акустический сигнал, отраженный от температурных неоднородностей атмосферы, принимают в точке излучения основного акустического импульса, а суммарный акустический сигнал, отраженный от ветровых неоднородностей атмосферы, принимают в точке, вынесенной навстречу ветру по линии проходящей через точки излучения акустических импульсов, в направлении на трассу зондирования под углом 45° к горизонту. 5

Изобретение ртносится к радиометеорологии и может быть использовано при составлении радиоклиматических карт и вработах по контролю загрязнения атмосферы. Цель изобретения - повышение точности определения влажности воздуха при зондировании в условиях турбулентности и наличия ветра в атмосфере. Способ отличается тем. что одновременно с основным из- лучают дополнительный акустический импульс, принимают отраженный от него электромагнитный сигнал и измеряют его мощность, раздельно принимают отраженные от температурных и ветровых неодно- родностей акустические сигналы, измеряют их мощности и доплеровский сдвиг частоты акустического сигнала, отраженного от температурных неоднородностей. и с учетом реальных турбулентного ослабления энергии звуковых волн и радиуса поперечной когерентности фазового фронта звуковых волн вычисляют коэффициент молекулярного поглощения звука, который используют при определении влажности воздуха. 1 ил.Изобретение относится к радиометеорологии и может быть использовано при составлении радиоклиматических карт и в работах по контролю загрязнения атмосферы.Известен способ измерения влажности, основанный на расчете разности коэффициентов ослабления звуковых волн двух частот, проводимого по данным измерения принимаемой мощности радиолокационных сигналов на двух частотах.Недостатком этого способа является низкая точность измерения влажности воздуха, обусловленная наличием частотныхзависимостей коэффициента турбулентного ослабления звука и радиуса поперечной когерентности фазы волнового фронта акустического импульса.Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ радиоакустического зондирования для определения влажности воздуха по значению коэффициента ослабления звука, вычисленномупоогибающей электромагнитного эхо-сигнала.Недостатком этого способа является низкая точность определения влажности воздуха, поскольку мощность отраженного^00о о•vj