Устройство для измерения вектора скорости ветра Советский патент 1982 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к облает метеорологии и может быть использовано для измерения полного вектора скорости ветра в атмосфере.

Известны устройства для измерения вектора скорости ветра, содер.жащие антенну, задающий генератор, усилитель мощности, синхронизатор, переключатель прием-передача, входной антенный усилитель, полосовой фильтр, спектроанализатор и электронно-вычислительный блок.

Принимаемый акустический сигнал подвергается спектральному анализу. Вначале определяется его энергетический спектр (спектр мощности), а затем определяется средняя частота сигнала как средневзвешенная по энергетическому спектру, т.е. по его центру тяжести l.

Недостатком указанных устройств для измерения вектора скорости ветра является то, что при наличии частотной расстройки между централь-,

ной частотой энергетического cnetfrра исследуемого акустического си|- нала и центральной частотой приемной системы (входного полосового фильтра), что всегда наблюдается на практике, и при наличии шумов, измерение скорости ветра такими устройствами будет сопровождаться значительными систематическими ошибками.

10

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения вектора скорости ветра, содержащее последовательно соединенные задающий гене«5ратор, усилитель мощности и передающую антенну, три приемных канала,каждый из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны, входного антенного усилителя,

20

.полосового фильтра и спектроанализатора, синхронизатор, соединенный

с задающим генератором и спектроана-лизаторами приемных каналов, счет391

но-решающий блок, соединенный с выходами спектроанализаторов и со входом устройства отображения. При этом передающая антенна ориентирована вертикально вверх, а три приемные антенны расположены на окружности некоторого радиуса с центром в меСТе расположения передатчика и разнесены на угол 120 относительно друг друга. Оси направленности всех трех антенн наклонены к горизонтали на определенный угол -0 и сориентированы на осевую линию передающей антенны 2.

Недостатком известного устройства для измерения вектора скорости ветра является то, что при наличии частотной расстройки между центральной частотой энергетического спектра исследуемого акустического сигнала и центральной частотой приемной системы (входного полосового фильтf)a) , что всегда наблюдается на практике и при наличии шумов, измерение скорости ветра в каждом канале устойства будет сопровождаться значительными систематическими ошибками. При определении полного вектора скорости эти ошибки еще более возрастут.

Цель изобретения - повышение точности измерения вектора скорости ветра в атмосфере.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения вектора скорости ветра, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и передающую антенну, три приемных канала, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны, входного антенного усилителя, полосового фильтра и спектроанализатора, синхронизатор, соединенный с задающим генератором, и счетно-решающий блок, снабжено счетным триггером, формирователем признака Запись-считывание и введенными в каждый канал последовательно соединенными коммутатором, блоком памяти и блоком вычитания, причем вход счетного триггера соединен с выходом синхронизатора, а выход - со входами коммутаторов каждого канала, соединенных вторыми входами с выходами спектроанализаторов, и со входом формирователя признака Запись-считывание, выход которого соединен со вторыми

24

входами блоков памяти каждого канала, второй выход коммутаторов каждого канала соединен со вторыми входами блоков вычитания, выходы которых подключены ко входу счетно-решающего блока.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения вектора скорости ветра.

Устройство для измерения вектора скорости ветра содержит передающий канал, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора 1, усилителя 2 мощности и передающей антенны 3, и три приемных канала, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны k, входного антенного усилителя 5. полосового фильтра 6, спектроанализатора 7, коммутатора 8, блока 9 памяти и блока 10 в.ычитания. Ко входу задающего генератора 1 подсоединен синхронизатор 11, к выходу которого подключен счетный триггер 12, выход которого соединен со вторыми входами коммутаторов 8 каждого канала и со.входом формирователя признака Запись-считывание 13 выход которого соединен со вторыми входами блоков 9 памяти каждого канала, второй выход коммутаторов 8 каждого канала соединен со вторыми входами блоков 10 вычитания, выходы которых подключены ко входу счетнорешающего блока Н. При этом передающая антенна 3 ориентирована вертикально вверх, а три приемные антенны Ц расположены на окружности некоторого радиуса с центром в месте расположения передатчика и разнесены на угол 120 относительно друг друга. Оси направленности всех трех приемных антенн k наклонены к горизонтали на определенный угол ® и сориентированы на осевую линию передающей антенны 3

Устройство работает следующим образом.

На первом этапе производится

определение энергетического спектра шума G|(f), где i 1,2,3 номер приемного канала, и занесение его в соответствующую каналу память устройства. При этом в передающий

канал устройства (блоки 1, 2, 3) с синхронизатора 11 поступает импульс запрета, и передающий канал отключается, т.е. производится только прием окружающих устройство для измерения вектора скорости ветра акустических шумов. В это время коммутаторы 8 каждого приемного канала, управляемые счетным триггером 12 и синхронизатором 11, подключают внутри каналов выходы спектроанализаторов 7 к входам блоков 9 памяти. При этом акустические шумы принимаются всеми тремя приемными антеннами 4, преобразуются в электрические колебания и далее внутри каждог канала усиливаются во входных антен ных усилителях 5 и после прохождения полосовых фильтров 6 подаются на спектроанализаторЫ 7- Далее значения энергетического спектра шума полученные на выходах спект роанализатрров 7. через коммутаторы 8поступают в блоки 9 памяти. На втором этапе работы, этапе зондирования , коммутаторы 8 подключают выходы спектроанализаторов 7 ко входам блоков 10 вычитания, в на задаю щий генератор 1 с синхронизатора 11 поступает импульс запуска. Задающий генератор 1 генерирует электрические колебания нужной частоты f,.,, которые усиливаются усилителем 2 мощности и поступают на передающую антенну 3 где они преобразуются в акустические.колебания и излучаются Далее отраженный от неоднородностей атмосферы акустический сигнал вместе с окружающими шумами принимается приемными антеннами 4, преобразуется в электрический сигнал и внутри каждого канала усиливается входными антенными усилителями 5, фильтруется в полосовом фильтре 6 и поступае на спектроанализатор 7, где определяется его энергетический спектр G(f). Далее значение энергетическо спектра Gl (f) через коммутатор 8 поступает на вход блока 10 вычитани это время с формирователя признака Запись-считывание 13, управляе мого синхронизатором VI и счетным триггером 12, на второй вход блока 9памяти поступает команда Считывание, и происходит считывание ранее определенных значен.ий энергети f из блока ческого спектра шума Gj.(f) 9 памяти на второй вход блока 10 вычитания, где определяется разност спектра сигнала принятого из атмосф ры и спектра шума, т.е. ui(f) ) - Glj{f). Далее знамения A(f), uj() и t(f) поступают на счетно-решающий блок 1. Центр тяжести спектра принятого сигнала в каждом канале равен ,-™-/V где ( Z 1, 2, 3; Af - ширина полосы пропускания полосового фильтра 6. Проекция вектора скорости ветра на каждое из трех направлений зондирования- -- .i-i- 2 fnv sinf+1 V о допплеровский сдвиг частоты принятого сигнала; 01 относительно частоты излучаемого сигнала С - скорость звука; б - угол между горизонталью и осью направленности i --ЛЙ антенны (). Полагая, что ось антенны 1 ориенирована в направлении оси X, а счет стальных двух приемных антенн произодится против часовой стрелки, ассчитываются.искомые ортогональные оставляющие вектора скорости вета в прямоугольной системе коордиат XYZ - Vj, V.. -Л 51Пф v -l(v + v + ак Ф--|--|-. Таким образом, в предлагаемом стройстве скорость ветра определятся по измеренной разности энергеического спектра сигнала, полученого при непосредственном зондироваии атмосферы и энергетического пектра окружающего локатор шума. так как, средние статистические арактеристики акустического шума остаточно стабильны, по крайней ере, за время одного цикла измереНИИ (не более 6 с), то это позволяет утверждать о компенсации его влияния на средние характеристики измерений скорости ветра, т.е. об уменьшении систематических ошибок измерений. Формула изобретения Устройство для измерения вектора скорости ветра, содержащее последовательно соединенные задающий генер тор, усилитель мощности и передающу антенну, три приемных канала, кажды из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны входного антенного усилителя, полосового фильтра и спектроанализатора синхронизатор, соединенный с задающим генератором, и счетно-решающий блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено счетным триггером, формирователем признака Запись-счи тывание, и введенными в каждый канал последовательно соединенными коммутатором, блоком памяти и блоком вычитания, причем вход счетного триггера соединен с выходом синхронизатора, а выход - с входами коммутаторов каждого канала, соединенных вторыми входами с выходами спектроанализаторов и с входом формирователя признака Запись-считывание, выход которого соединен с вторыми входами блоков памяти каждого, канала, второй выход Коммутаторов каждого канала соединен с вторыми входами блоков вычитания, выходы которых подключены к входу счетнорешающего блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Вегап aw., V/ilemarth В.С Carsey I. С., Hall I. I. An Acoustic oppler Wind Lfeasuring System, Jourial o the Acoustical Society of merica, 1974, vol. 55, , p.334-338. 2.Патент США № 3889533, кл. 73-189, 17.06.75 (прототип).