DE3608691C1 - Mobile device for remote measurement (telemetry) of meteorological data in the atmosphere - Google Patents

Mobile device for remote measurement (telemetry) of meteorological data in the atmosphere

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DE3608691C1 DE19863608691 DE3608691A DE3608691C1 DE 3608691 C1 DE3608691 C1 DE 3608691C1 DE 19863608691 DE19863608691 DE 19863608691 DE 3608691 A DE3608691 A DE 3608691A DE 3608691 C1 DE3608691 C1 DE 3608691C1
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Abstract

The invention relates to a mobile device for remote measurement of meteorological data in the atmosphere. The aim, in particular, is to determine wind vectors by using the Doppler effect. The device consists of an acoustic antenna which is mounted on a chassis and has at least one electroacoustic transducer and a shield which is situated on the same axis as the transducer. The antenna, which is operated in a clock fashion as a transmitter, is used to transmit sound pulses in a directional fashion into the respective measurement region, and the signals reflected from the measurement region are picked up by the antenna, operating as a receiver between the transmission clock pulses, and analysed in order to determine the relevant data. The antenna can be adjusted about at least two axes at an angle to one another, specifically, on the one hand, about its own axis for setting the azimuth angle and, on the other hand, about a transverse axis for setting the zenith angle.

Description

Die Erfindung betrifft eine mobile Einrichtung zum Fernmessen von meteorologischen Daten in der Atmosphäre, insbesondere zum Messen von Windvektoren unter Auswertung des Doppler-Effektes, bestehend aus einer auf einem Fahrgestell befestigten akustischen Antenne mit zumindest einem elektroakustischen Wandler und mit einer auf gleicher Achse wie der Wandler liegenden Schirmung, wobei mit der taktweise als Sender betriebenen Antenne Schallimpulse gerichtet in das jeweilige Meßgebiet gesendet und die aus dem Meßgebiet reflektierten Signale von der zwischen den Sendetakten als Empfänger arbeitenden Antenne aufgenommen und zur Bestimmung der betreffenden Daten analysiert werden.The invention relates to a mobile device for remote measurement of meteorological data in the atmosphere, in particular for measuring wind vectors by evaluating the Doppler effect, consisting of one on a chassis attached acoustic antenna with at least one electroacoustic Converter and with one on the same axis as the converter lying shield, with the clockwise as a transmitter operated antenna sound impulses directed in the respective measurement area sent and those from the measurement area reflected signals from the between the transmit clocks as Receiver working antenna added and for determination of the data in question are analyzed.

Bei solchen Einrichtungen wird nach dem sogenannten SODAR- Prinzip (Sonic Detection and Ranging) gearbeitet, das mit dem Echolot-Verfahren vergleichbar ist. Beim SODAR werden mit akustischen Spezialantennen Schallimpulse auf das vorgesehene Meßgebiet in der Atmosphäre gerichtet und die aus dem Meßgebiet reflektierten Echosignale ausgewertet, um hieraus mit entsprechenden Signalanalyseverfahren verschiedene meteorologische Daten und Parameter abzuleiten.In such facilities, the so-called SODAR Principle (Sonic Detection and Ranging) worked with is comparable to the sounder method. At SODAR with special acoustic antennas sound impulses to the intended Measuring area directed in the atmosphere and out echo signals reflected in the measurement area are evaluated in order to different ones with appropriate signal analysis methods  derive meteorological data and parameters.

Reflexionen der Sendeimpulse bzw. Echosignale treten aufgrund von Inhomogenitäten in der Luft auf. Falls sich eine solche Inhomogenität im Meßgebiet in Richtung des Schallstrahles oder entgegengesetzt gerichtet ändert, wird sich wegen des Doppler-Effektes eine Frequenzänderung zu niedrigeren oder höheren Werten einstellen. Hieraus kann man dann mit einem Rechner den Wind bzw. eine Windkomponente nach Stärke und Richtung als Windvektor bestimmen. Dabei beinhaltet das reflektierte Signal natürlich nur eine Aussage über die radiale Windkomponente in Meßrichtung, so daß man aus dieser Aussage und den bekannten Daten der jeweiligen Antennenposition eine Umrechnung auf beispielsweise in horizontaler Ebene liegende Windkomponenten durchführen und mit den berechneten Daten schließlich auch die Art und Lage von Windfeldern bestimmen kann.Reflections of the transmission pulses or echo signals occur of inhomogeneities in the air. If there is one such inhomogeneity in the measurement area in the direction of the sound beam or changes in the opposite direction will change because of the Doppler effect, a frequency change to lower or higher values. From this you can then the wind or a wind component with a computer determine as strength and direction as wind vector. Here the reflected signal naturally only contains one statement about the radial wind component in the measuring direction, see above that from this statement and the known data of the respective Antenna position a conversion to, for example Carry out wind components lying in a horizontal plane and finally with the calculated data Can determine the type and location of wind fields.

Außerdem gibt das Verhältnis der Intensität und der spektralen Verteilung des Sendesignales im Vergleich zum Empfangssignal Informationen über Turbulenzen und deren Dichte in der Atmosphäre, so daß man auch aus solchen Meßwerten Turbulenzfelder, atmosphärische Dichteschichtungen aufgrund von Abgasfahnen und dergleichen ermitteln kann. Deshalb hat das SODAR-Meßverfahren über den wissenschaftlichen Bereich hinaus auch auf vielen anderen Gebieten praktische Anwendung gefunden. So werden beispielsweise SODAR- Meßsysteme an Flugplätzen zur Bestimmung von Windfeldern oder auch an Kraftwerken und anderen Industrieanlagen zur Messung von Schadstoffemissionen und dergleichen installiert.It also gives the ratio of intensity and spectral Distribution of the transmission signal compared to Receive signal Information about turbulence and its Density in the atmosphere, so that you can also from such measurements Turbulence fields, atmospheric density layers can determine due to exhaust plumes and the like. Therefore, the SODAR measuring method has the scientific  Practical beyond many other areas Application found. For example, SODAR Measuring systems at airports for the determination of wind fields or also at power plants and other industrial plants Measurement of pollutant emissions and the like installed.

Im Vergleich zu multistatischen Meßeinrichtungen mit weit voneinander getrennt angeordneten Sendern und Empfängern (DE-OS 28 31 903) hat eine monostatische Meßeinrichtung, bei der sich Sender und Empfänger am gleichen Ort befinden, einige Vorteile, und zwar beispielsweise der verhältnismäßig geringe Platzbedarf und die Möglichkeit, die Einrichtung bzw. Antenne durch Anordnung auf einem Fahrgestell mobil und schnell an beliebige Einsatzorte bringen zu können. Allerdings haben solche mobilen Meßeinrichtungen auch einige Nachteile.Compared to multistatic measuring devices with far separate transmitters and receivers (DE-OS 28 31 903) has a monostatic measuring device, where the sender and receiver are in the same place, some advantages, for example proportionate small footprint and the ability to set up or antenna by arrangement on a chassis and can be brought quickly to any location. However, some of these mobile measuring devices also have Disadvantage.

So war es bisher üblich und erforderlich, etwa für eine dreidimensionale Windmessung drei Antennen zu verwenden, die allein schon wegen ihrer voluminösen Schirmung nicht gemeinsam auf einem Fahrgestell untergebracht werden können. Deshalb montiert man also jeweils eine Antenne auf einem Fahrgestell, was zur Folge hat, daß für eine dreidimensionale Messung die Fahrgestelle mit den Antennen und auch die Meßkreise der drei Systeme vor dem eigentlichen Meßvorgang in aufwendiger und zeitraubender Weise justiert und einander angepaßt werden müssen. Schließlich ist eine solche Meßeinrichtung mit mehreren Antennen natürlich auch relativ teuer.So far it was common and necessary, for example for one three-dimensional wind measurement to use three antennas which, because of their voluminous shielding alone, are not common can be accommodated on a chassis. That is why one antenna is mounted on one Chassis, which means that for a three-dimensional Measuring the chassis with the antennas and also the measuring circuits of the three systems before the actual measuring process  adjusted in a complex and time-consuming manner and have to be adapted to each other. After all, one is such a measuring device with several antennas, of course relative expensive.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfach aufgebaute, wenig Platz beanspruchende Fernmeßeinrichtung vorzuschlagen, die selbst bei mehrdimensionalen Messungen mit einer Antenne auskommt und bei der dementsprechend auch die Probleme im Zusammenhang mit einer aufwendigen Justierung und Ausrichtung mehrerer Antennen entfallen werden.The object of the invention is to provide a simple, to propose a remote measuring device which takes up little space, that even with multidimensional measurements one antenna needs and accordingly the problems associated with a complex adjustment and alignment of several antennas will be omitted.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die eingangs erwähnte Einrichtung erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Antenne elektromotorisch um mindestens zwei im Winkel zueinander stehende Achsen verstellbar ist.To solve this problem, the facility mentioned above According to the invention designed so that the antenna electromotive by at least two at an angle to each other standing axes is adjustable.

Dabei kann die Antenne einerseits um ihre eigene Achse für Azimutwinkeleinstellungen und andererseits um eine Querachse für Zenitwinkeleinstellungen verstellt werden.The antenna on the one hand about its own axis for azimuth angle settings and on the other hand about a transverse axis for zenith angle settings be adjusted.

Da die Antenne aufgrund ihrer Verstellbarkeit um mehrere Achsen in verschiedene Meßpositionen gebracht werden kann, kann sie nunmehr auch die Aufgaben und Funktionen der sonst erforderlich gewesenen weiteren Antennen übernehmen. Weil eben nur eine einzelne Antenne erforderlich ist, wird die Meßeinrichtung vergleichsweise billiger in der Herstellung und schließlich auch weniger voluminös. Aus gleichem Grund wird das Justieren der Einrichtung in bezug auf eine Nullstellung vereinfacht, da keine Abstimmung auf die Positionen von weiteren Antennen und Fahrgestellen erforderlich ist.Because the antenna is adjustable by several Axes can be brought into different measuring positions, it can now also perform the tasks and functions of the take over any other antennas required. Because if only a single antenna is required, the  Measuring device comparatively cheaper to manufacture and finally less voluminous. For the same reason the adjustment of the device is related simplified to a zero position because no vote on the positions of others Antennas and chassis are required.

Zweckmäßigerweise wird die Antenne von einem Rahmen getragen, der zur Einstellung der Azimutwinkel mit einem ersten Antrieb relativ zum Fahrgestell verdrehbar ist, außerdem die Lager für die Antenne trägt und weiterhin mit einem zweiten Antrieb relativ zum Rahmen zwecks Einstellung der Zenitwinkel verschwenkt werden kann. Der Rahmen kann im wesentlichen als oben offene, die Antenne unten umfassende Gabel ausgebildet werden, mit deren unterem Schenkel der erste Antrieb verbunden ist, während der zweite, im Rahmen sitzende Antrieb auf das Antennenlager einwirkt.The antenna is expediently carried by a frame, the one for setting the azimuth angle with a first one Drive is rotatable relative to the chassis, moreover carries the bearings for the antenna and continues with one second drive relative to the frame in order to adjust the Zenith angle can be pivoted. The framework can essentially as open at the top, embracing the antenna at the bottom Fork are formed, with the lower leg of the first drive is connected while the second, under the frame seated drive acts on the antenna bearing.

In der anliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachfolgend näher beschrieben wird. Es zeigtIn the accompanying drawing is an embodiment of the invention, which is described in more detail below becomes. It shows

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Meßeinrichtung nach der Erfindung und Fig. 1 is a perspective view of a measuring device according to the invention and

Fig. 2 die perspektivische Ansicht eines Rahmens mit den beiden Antrieben. Fig. 2 is a perspective view of a frame with the two drives.

Die mobile Meßeinrichtung nach Fig. 1 besteht aus dem Fahrgestell 1, das hier in Form eines üblichen einachsigen Fahrzeug-Anhängers ausgebildet ist, und aus der Antenne 2. Im unteren Teil 3 der Antenne befinden sich die Elektronik mit Sende- und Empfangsschaltungen, Auswerteschaltkreisen, Rechnern und mit einem Lautsprecherarray, das beispielsweise aus den vier gestrichelt angedeuteten und symmetrisch zur Antennenachse 4 angeordneten elektrokakustischen Wandlern 5 bestehen kann, die bei Sendebetrieb phasengleich betrieben werden und zwischen den Sendetakten jeweils auf Empfang geschaltet werden.The mobile measuring apparatus according to Fig. 1 consists of the chassis 1, which is designed here in the form of a conventional single-axis vehicle trailer, and from the antenna 2. In the lower part 3 of the antenna are the electronics with transmission and reception circuits, evaluation circuits, computers and with a loudspeaker array, which can consist, for example, of the four electro-acoustic transducers 5 indicated by dashed lines and arranged symmetrically to the antenna axis 4 , which are operated in phase during transmission and between the transmission clocks are switched to reception.

Oben am Antennenteil 3 schließt sich eine Schirmung 6 an, die im wesentlichen die Form einer auf der Achse 4 liegenden Glocke hat. Diese Schirmung soll einerseits die Umgebung gegen Belästigung durch den Meßschall und andererseits die Antenne bzw. deren Wandler während des Messens im Empfangsbetrieb gegen Fremdschall, Wind- oder sonstige Störgeräusche schützen. Akustische Signalantennen dieser Art sind weitgehend bekannt, so daß ihre sonstigen Funktionen und baulichen Merkmale nicht im einzelnen beschrieben zu werden brauchen. Erwähnt sei nur noch, daß man grundsätzlich auch mit einem einzelnen Wandler arbeiten könnte, sofern dieser die geforderte Leistung im Sende- und Empfangsbetrieb bringt.At the top of the antenna part 3 there is a shield 6 , which essentially has the shape of a bell lying on the axis 4 . This shielding is intended on the one hand to protect the environment against annoyance from the measurement sound and on the other hand to protect the antenna or its transducer from external noise, wind or other noise during the measurement in the receiving mode. Acoustic signal antennas of this type are largely known, so that their other functions and structural features need not be described in detail. It should only be mentioned that one could also work with a single converter, provided that this provides the required performance in the transmit and receive mode.

Die Antenne 2 kann mit Hilfe von Elektromotoren um zwei im rechten Winkel zueinanderstehende Achsen verstellt werden, und zwar einerseits um ihre eigene Achse 4 zur Einstellung der Azimutwinkel und andererseits um eine Querachse 7 für Zenitwinkeleinstellungen. Die Antenne 2, die der besseren Übersicht wegen in Fig. 2 nicht mit dargestellt wurde, wird von einem Rahmen 8 getragen, der zusammen mit der Antenne zwecks Einstellung der Azimutwinkel mit einem ersten Antrieb 9 relativ zum Fahrgestell 1 um die Achse 4 verdreht werden kann. Der Rahmen trägt die Querachse 7, die gemäß Fig. 2 z. B. durch zwei seitlich an der Antennenschirmung 6 angebrachte und am Rahmen 8 gelagerte Zapfen 10, 11 dargestellt wird. Ein zweiter Antrieb 13 kann demgemäß die Antenne 2 relativ zum Rahmen 8 um die Achse 7 zur Einstellung verschiedener Zenitwinkel verstellen, wie noch später weiter beschrieben wird.The antenna 2 can be adjusted with the aid of electric motors about two axes at right angles to one another, on the one hand about its own axis 4 for setting the azimuth angle and on the other hand about a transverse axis 7 for zenith angle settings. The antenna 2 , which was not shown in FIG. 2 for the sake of a better overview, is supported by a frame 8 which, together with the antenna, can be rotated about the axis 4 relative to the chassis 1 with a first drive 9 for adjusting the azimuth angle . The frame carries the transverse axis 7 , which according to FIG . B. is represented by two laterally attached to the antenna shield 6 and mounted on the frame 8 pins 10, 11 . A second drive 13 can accordingly adjust the antenna 2 relative to the frame 8 about the axis 7 for setting different zenith angles, as will be described further below.

Der Rahmen 8 hat im wesentlichen die Form einer Gabel, die oben offen ist und den unteren Bereich der Antenne 2 umfaßt. Der erste und in Fig. 1 von der Antenne 2 abgedeckte und deshalb dort nicht zu sehende Antrieb 9 steht gemäß Fig. 2 mit dem unteren Schenkel 8 a des Rahmens 8 in Verbindung und ist relativ zum Rahmen fest angeordnet, beispielsweise am Fahrgestell unterhalb des Rahmens. Der zweite Antrieb 13 sitzt dagegen am Rahmen bzw. an der Gabel 8.The frame 8 has essentially the shape of a fork which is open at the top and comprises the lower region of the antenna 2 . The first and in Fig. 1 covered by the antenna 2 and therefore not seen there drive 9 is shown in FIG. 2 with the lower leg 8 a of the frame 8 and is fixed relative to the frame, for example on the chassis below the frame . In contrast, the second drive 13 is seated on the frame or on the fork 8 .

Die beiden Antriebe 9, 13 bestehen aus elektrischen Gleichstrommotoren 14, 15, von denen jeweils einer über ein Kurbelgetriebe mit dem Rahmen 8 bzw. mit der Antenne 2 in Verbindung steht, wobei die Kurbelscheiben 16, 17 mit Kurbelstangen 18, 19 verbunden sind und diese an Lenkern 20, 21 angreifen, die starr und im rechten Winkel mit einem Rahmenzapfen 22 bzw. dem einen Antennenlagerzapfen 10 in Verbindung stehen.The two drives 9, 13 consist of electric DC motors 14, 15 , one of which is connected via a crank mechanism to the frame 8 or to the antenna 2 , the crank disks 16, 17 being connected to crank rods 18, 19 and these attack on handlebars 20, 21 which are rigidly and at right angles to a frame pin 22 or the one antenna bearing pin 10 in connection.

Bei Betrieb des Antriebs 14 in der einen oder anderen Drehrichtung wird also der Rahmen 8 zusammen mit der an ihm gelagerten Antenne 2 um die Achse 4 verdreht, um den Azimutwinkel einzustellen. Es können hierfür zwei Stellungen vorgesehen werden, und zwar zum einen die Ausgangsstellung mit 0° und zum anderen relativ hierzu eine zwischen 60° und 120°, vorzugsweise bei 90°, liegende Stellung.When operating the drive 14 in one or the other direction of rotation, the frame 8 is rotated together with the antenna 2 mounted on it about the axis 4 in order to set the azimuth angle. Two positions can be provided for this, on the one hand the initial position with 0 ° and on the other hand a position between 60 ° and 120 °, preferably at 90 °, relative to this.

Beim Betrieb des anderen Motors 15 kann die Antenne 2 je nach Drehrichtung des Motors in der einen oder anderen Richtung relativ zum Rahmen 8 verschwenkt werden, und zwar zwischen einer Ausgangsstellung von 0°, bei der die Antennenachse 4 und die Drehachse des Lagerzapfens 22 übereinstimmen, und einer zweiten Zenitwinkelstellung von 15° bis 30°, wobei in diesem Fall die Antenne und der Rahmen nicht mehr auf gleicher Achse ausgerichtet sein werden und die Antennenachse beim Ausfahren des Rahmens aus der zweiten Zenitwinkelstellung einen Kegelflächenteil beschreiben wird.When the other motor 15 is in operation, depending on the direction of rotation of the motor, the antenna 2 can be pivoted in one direction or the other relative to the frame 8 , specifically between an initial position of 0 °, in which the antenna axis 4 and the axis of rotation of the bearing pin 22 coincide. and a second zenith angle position of 15 ° to 30 °, in which case the antenna and the frame will no longer be aligned on the same axis and the antenna axis will describe a part of the cone surface when the frame extends from the second zenith angle position.

Um die Drehung des Rahmens für die Azimutstellung auf ein Minimum zu reduzieren, können sechs Stellungen für die Zenit-/Azimutwinkel periodisch wiederkehren, nämlich 0°/0°, 20°/0°, 20°/90°, 0°/90°, 20°/90° und 20°/0°, wobei hier vorausgesetzt wird, daß die zweiten möglichen Winkelstellungen für den Rahmen relativ zum Fahrgestell mit 90° und für die Antenne relativ zum Rahmen mit 20° festgelegt wurden. Im übrigen ist es natürlich auch möglich, andere oder zusätzliche Endstellungen und überlagerte Zwischenstellungen vorzusehen, obwohl die vorerwähnte Stellungsfolge mit den betreffenden Winkeln für die meisten praktischen Anwendungsfälle ausreichen wird.To turn the frame for azimuth on To reduce minimum, six positions for the Repeat the zenith / azimuth angle periodically, namely 0 ° / 0 °, 20 ° / 0 °, 20 ° / 90 °, 0 ° / 90 °, 20 ° / 90 ° and 20 ° / 0 °, where here it is assumed that the second possible angular positions for the frame relative to the chassis with 90 ° and fixed at 20 ° for the antenna relative to the frame were. Otherwise, of course, it is also possible to others or additional end positions and superimposed intermediate positions to be provided, although the aforementioned position sequence with the relevant angles for most practical Use cases will suffice.

Außerdem sollten die Kurbeltriebe so ausgelegt werden, daß beim Einfahren des Rahmens und der Antenne in die betreffenden Meßstellungen die geringstmögliche Verstellbewegung auftritt, was so erreicht werden kann, daß die beiden Totpunktpositionen der Kurbelgetriebe den beiden möglichen Endstellungen des Rahmens und der Antenne zugeordnet werden. Hierdurch werden ein günstiges Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten der angetriebenen Massen und vor allem auch eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht. Weiterhin können die beiden Motoren 14, 15 mit Nockenscheiben 23, 24 gesteuert werden, die auf gleicher Achse wie die Kurbelscheiben 16, 17 sitzen. Diese Nockenscheiben betätigen beim Ein- und Ausfahren der Einrichtung in die vorgewählten Zenit- und Azimutstellungen Schalter, um die Motoren 14, 15 je nach Erfordernis ab- oder einzuschalten, wobei die jeweiligen Verstellbewegungen von der Steuer- und Auswerteelektronik automatisch ausgelöst und eingeleitet werden.In addition, the crank mechanisms should be designed so that the smallest possible adjustment movement occurs when the frame and the antenna are moved into the relevant measuring positions, which can be achieved in such a way that the two dead center positions of the crank mechanism are assigned to the two possible end positions of the frame and the antenna. This enables favorable acceleration and deceleration behavior of the driven masses and, above all, high positioning accuracy. Furthermore, the two motors 14, 15 can be controlled with cam disks 23, 24 , which sit on the same axis as the crank disks 16, 17 . These cam disks actuate switches when the device is retracted and extended into the preselected zenith and azimuth positions in order to switch the motors 14, 15 off or on as required, the respective adjustment movements being triggered and initiated automatically by the control and evaluation electronics.

Ferner lassen sich auch alle sonstigen Funktionen der Motoren manuell von einem auf dem Fahrgestell befindlichen Schaltschrank 25 aus durchführen. Hierzu gehört auch das Einschwenken der Antenne 2 in eine im wesentlichen horizontale Transportstellung mit Hilfe des elektrischen Antriebs 26, der sinngemäß wie der Antrieb 13 die Antenne verschwenken kann, wobei natürlich der eine dieser Antriebe außer Funktion ist, sofern der andere Antrieb arbeitet. Furthermore, all other functions of the motors can also be carried out manually from a control cabinet 25 located on the chassis. This also includes swiveling the antenna 2 into an essentially horizontal transport position with the aid of the electric drive 26 , which can pivot the antenna in a manner analogous to that of the drive 13 , one of these drives of course being inoperative if the other drive is working.

Abweichend von dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Antenne übrigens auch auf andere Weise gelagert und verstellt werden. So ist es beispielsweise ebenfalls möglich, die Antenne kardanisch aufzuhängen und mit zwei Motoren über Getriebe und Hebelsysteme zu verschwenken.Deviating from the illustrated and described embodiment the antenna can also be used on others Be stored and adjusted in a way. For example, it is also possible to gimbal the antenna and with two motors via gears and lever systems too swivel.

Zur Erzeugung und auch zum Empfang des Meßschalles werden normalerweise handelsübliche elektrodynamische Wandler verwendet, die zwar im Hinblick auf eine Musik- und Sprachwiedergabe optimiert sind, nicht aber speziell für die Bedürfnisse der SODAR-Technik entwickelt sind. Hierfür wären eigentlich bessere Schallwandler mit einer kürzeren Erholzeit zwischen Senden und Empfangen erwünscht, da das Schwingspulen-Membran-System eine Zeit von etwa 100 bis 150 ms braucht, um nach einem Sendeimpuls für den Empfang des relativ schwachen Schallechos bereit zu sein.To generate and also to receive the measurement sound normally used commercially available electrodynamic transducers, with regard to music and speech reproduction are optimized, but not specifically for the needs of SODAR technology. For that would be actually better sound transducers with a shorter recovery time between sending and receiving desirable because of the voice coil membrane system a time of about 100 to 150 ms needs in order to receive the relatively weak shell echoes to be ready.

Außerdem haben dynamische Lautsprecher in Mikrophonschaltung im allgemeinen eine relativ stark frequenzabhängige Empfindlichkeit. Durch Abkühlung der nach dem Sendeimpuls erwärmten Membran kann es sogar zu zeitabhängigen Resonanzeffekten kommen, die möglicherweise das Frequenzspektrum des Echos erheblich verzerren. Außerdem muß ein Druckkammerlautsprecher mit zusätzlichen Vorrichtungen versehen werden, um die gewünschte Richtwirkung der Schallstrahlung und der Empfangsempfindlichkeit zu erreichen. Dies können beispielsweise Hörner, Parabol- oder Parabolsektorspiegel sein. Hierbei treten aber jeweils unterschiedliche Schwierigkeiten auf, wie z. B. eine Überstrahlung, stehende Wellen oder temperatur- und frequenzabhängige Übertragungsfunktionen. Schließlich ist die maximale akustische Leistung eines Druckkammersystems auf 10 bis 20 W begrenzt, so daß eine Steigerung der Leistung nur durch Verwendung eines entsprechend aufwendigen Arrays von Druckkammersystemen möglich ist.In addition, dynamic speakers have a microphone circuit generally a relatively strongly frequency-dependent sensitivity. By cooling those heated after the transmission pulse Membrane can even cause time-dependent resonance effects that may be the frequency spectrum of the echo significantly distort. In addition, a pressure chamber loudspeaker be provided with additional devices to achieve the desired  Directivity of sound radiation and reception sensitivity to reach. For example Horns, parabolic or parabolic sector levels. Here but there are different difficulties, such as B. overexposure, standing waves or temperature and frequency-dependent transfer functions. In the end is the maximum acoustic performance of a pressure chamber system limited to 10 to 20 W, so that an increase in Performance only by using a correspondingly complex Arrays of pressure chamber systems is possible.

Nachteile dieser Art werden erfindungsgemäß weitestgehend durch eine Anwendung von elektrostatischen Wandlern behoben, zumal diese auch im übrigen die Anforderungen der SODAR- Technik gut erfüllen. Man kann nämlich sehr leicht beliebig große, gleichphasig schwingende Flächen herstellen, so daß ohne weitere Hilfsmittel eine hohe Richtwirkung erreichbar ist. Wegen der sehr geringen schwingenden Masse, die auf eine große Fläche verteilt ist, tritt kaum ein mechanisches Nachschwingen auf, so daß die Umschaltzeit und damit die unterste auswertbare Meßhöhe reduziert wird. Weiterhin sind elektrostatische Wandler im Empfangs- und Sendebetrieb über große Bereiche frequenzunabhängig in ihrer Empfindlichkeit.Disadvantages of this type are largely avoided according to the invention fixed by using electrostatic converters, especially since these also meet the requirements of the SODAR Fulfill technology well. You can do that very easily produce large, in-phase vibrating surfaces so that A high directivity can be achieved without further aids is. Because of the very low vibrating mass that is on a large area is distributed, hardly a mechanical occurs Ringing on, so that the switching time and thus the lowest evaluable measuring height is reduced. Furthermore are electrostatic converter in the receive and transmit mode large areas independent of frequency in their sensitivity.

Der bzw. die elektrostatischen Wandler werden nun nicht in der für Sprach- und Musikübertragung notwendigen linearen Betriebsart angesteuert, sondern es wird die dem Wandler eigene quadratische Übertragungsfunktion in nachfolgend beschriebener Weise ausgenutzt.The electrostatic  Converters are now no longer necessary for voice and music transmission linear operating mode, but it will the quadratic transfer function inherent in the converter exploited in the manner described below.

Die Sendeleistung eines elektrostatischen Wandlers ist in der Praxis begrenzt durch die Durchbruchspannung zwischen den Elektroden. Während in der herkömmlichen Betriebsart eine im Vergleich zur Signalspannung Us hohe Polarisationsspannung Up verwendet wird, wird erfindungsgemäß für die hier zur Diskussion stehende SODAR-Technik auf die Vorspannung völlig verzichtet. Die auf die Schwingmembran wirkende Kraft K ist proportional zum Quadrat der Gesamtspannung. Bei der vorher angesprochenen üblichen Betriebsart ergibt sich dann die Beziehung
K=A (Up+Us)²=A (Up²+2 UpUs +Us²),
wobei A eine Konstante ist. Eine angenähert lineare Übertragungsfunktion wird normalerweise dadurch erreicht, daß Us sehr klein gegenüber Up ist, so daß sich unter Hinweis auf die vorerwähnte Formel angenähert die Beziehung
K≈A (Up²+2 UpUs)
ergibt. Zur Signalerzeugung trägt im Prinzip nur der zweite Term für die durch das Signal erzeugte Kraft Ks bei, so daß sich in weiterer Annäherung Ks≈A 2 UpUs ergeben wird.The transmission power of an electrostatic converter is limited in practice by the breakdown voltage between the electrodes. While a polarization voltage Up which is high in comparison to the signal voltage Us is used in the conventional operating mode, the bias voltage is completely dispensed with according to the invention for the SODAR technology under discussion here. The force K acting on the vibrating diaphragm is proportional to the square of the total stress. The relationship then arises in the usual operating mode mentioned above
K = A (Up + Us) ² = A (Up ² + 2 UpUs + Us ²),
where A is a constant. An approximately linear transfer function is usually achieved by Us being very small compared to Up , so that the relationship approximates when the formula mentioned above is used
K ≈ A (Up ² + 2 UpUs)
results. In principle, only the second term for the force Ks generated by the signal contributes to the signal generation, so that in a further approximation Ks ≈ A 2 UpUs will result.

Im Vergleich dazu ist die Kraft K* beim Wandler und bei Verzicht auf die Vorspannung K*=A Us*². Die quadratische Abhängigkeit stört hier nicht, da nicht unbekannte komplexe Signalspektren, wie Sprache oder Musik, wiedergegeben werden sollen, sondern allein ein aus nur einer Frequenz bestehender Sendeimpuls erzeugt werden soll.In comparison, the force K * for the converter and without the preload is K * = A Us * ². The quadratic dependence does not disturb here, since not unknown complex signal spectra, such as speech or music, are to be reproduced, but rather only a transmission pulse consisting of only one frequency is to be generated.

Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß die auf diese Weise betriebenen elektrostatischen Wandler nicht nur bei SODAR-Meßeinrichtungen der vorher beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Art verwendbar sind, da auch andere, an sich bekannte SODAR-Systeme zum Fernmessen von meteorologischen Daten mit elektrostatischen Wandlern ausgerüstet werden können, die ohne Vorspannung und nur mit der Signalspannung betrieben werden.Finally, it is pointed out that the on electrostatic converter operated in this way only with SODAR measuring devices of the previously described and can be used in the manner shown in the drawing, there are also other known SODAR systems for remote measurement of meteorological data with electrostatic Transducers can be equipped without bias and only be operated with the signal voltage.

Claims (8)

1. Mobile Einrichtung zum Fernmessen von meteorologischen Daten in der Atmosphäre, insbesondere zum Messen von Windvektoren unter Auswertung des Doppler-Effektes, bestehend aus einer auf einem Fahrgestell (1) befestigten akustischen Antenne (2) mit zumindest einem elektroakustischen Wandler (5) und mit einer auf gleicher Achse (4) wie der Wandler liegenden Schirmung (6), wobei mit der taktweise als Sender betriebenen Antenne Schallimpulse gerichtet in das jeweilige Meßgebiet gesendet und die aus dem Meßgebiet reflektierten Signale von der zwischen den Sendetakten als Empfänger arbeitenden Antenne aufgenommen und zur Bestimmung der betreffenden Daten analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (2) elektromotorisch um mindestens zwei im Winkel zueinander stehende Achsen (4, 7) verstellbar ist.1. Mobile device for remote measurement of meteorological data in the atmosphere, in particular for measuring wind vectors with evaluation of the Doppler effect, consisting of an acoustic antenna ( 2 ) attached to a chassis ( 1 ) with at least one electroacoustic transducer ( 5 ) and with a shield ( 6 ) lying on the same axis ( 4 ) as the transducer, sound pulses being sent in a directional manner into the respective measurement area with the antenna, which is operated as a transmitter, and the signals reflected from the measurement area are received by the antenna working between the transmission clocks and sent to the Determination of the relevant data are analyzed, characterized in that the antenna ( 2 ) can be adjusted by an electric motor around at least two axes ( 4, 7 ) at an angle to one another. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (2) einerseits um ihre Achse (4) für Azimutwinkeleinstellungen und andererseits um eine Querachse (7) für Zenitwinkeleinstellungen verstellbar ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the antenna ( 2 ) is adjustable on the one hand about its axis ( 4 ) for azimuth angle settings and on the other hand about a transverse axis ( 7 ) for zenith angle settings. 3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (2) von einem Rahmen (8) getragen wird, der zur Einstellung der Azimutwinkel mit einem ersten Antrieb (9) relativ zum Fahrgestell (1) verdrehbar ist, das Antennenlager (10) trägt und mit einem zweiten Antrieb (13) relativ zum Rahmen (8) zwecks Einstellung der Zenitwinkel verschwenkbar ist.3. Device according to one of claims 1 and 2, characterized in that the antenna ( 2 ) is carried by a frame ( 8 ) which can be rotated relative to the chassis ( 1 ) with a first drive ( 9 ) for adjusting the azimuth angle, supports the antenna bearing ( 10 ) and can be pivoted with a second drive ( 13 ) relative to the frame ( 8 ) for the purpose of setting the zenith angle. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (8) im wesentlichen als oben offene, die Antenne (2) unten umfassende Gabel ausgebildet ist, mit deren unterem Schenkel (8 a) der erste Antrieb (9) verbunden ist, während der zweite, am Rahmen sitzende Antrieb (13) auf das Antennenlager (10) einwirkt.4. Device according to claim 3, characterized in that the frame ( 8 ) is essentially designed as an open top, the antenna ( 2 ) below comprehensive fork, with the lower leg ( 8 a), the first drive ( 9 ) is connected, while the second drive ( 13 ) seated on the frame acts on the antenna bearing ( 10 ). 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (9, 13) über Kurbelgetriebe (16-18) mit dem Rahmen (8) bzw. mit der Antenne (2) verbunden sind, wobei die Kurbelstange (18, 19) jeweils an einem Lenker (20, 21) angreift, der starr und im rechten Winkel mit der Antennenlagerachse (10) bzw. einer starr am Rahmen befestigten Achse (22) verbunden ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drives ( 9, 13 ) via crank mechanism ( 16-18 ) with the frame ( 8 ) or with the antenna ( 2 ) are connected, the crank rod ( 18, 19 ) each engages on a link ( 20, 21 ) which is rigidly connected at right angles to the antenna bearing axis ( 10 ) or an axis ( 22 ) rigidly attached to the frame. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Azimutstellungen bei 0° und 60 bis 120° und zwei Zenitstellungen bei 0° und 15° bis 30° vorgesehen sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that two azimuth positions at 0 °  and 60 to 120 ° and two zenith positions at 0 ° and 15 ° up to 30 ° are provided. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelgetriebe (16-18) so ausgelegt sind, daß beim Einfahren des Rahmens (8) bzw. der Antenne (2) in die vorerwähnten Stellungen die geringstmögliche Verstellbewegung auftritt.7. Device according to one of claims 5 and 6, characterized in that the crank mechanism ( 16-18 ) are designed so that the smallest possible adjustment movement occurs when retracting the frame ( 8 ) or the antenna ( 2 ) in the aforementioned positions. 8. Mobile Einrichtung zum Fernmessen von meteorologischen Daten in der Atmosphäre, insbesondere zum Messen von Windvektoren unter Auswertung des Doppler-Effektes, bestehend aus einer auf einem Fahrgestell (1) befestigten akustischen Antenne mit mindestens einem Wandler und mit einer auf gleicher Achse (4) wie der Wandler liegenden Schirmung, wobei mit der taktweise als Sender betriebenen Antenne Schallimpulse gerichtet in das jeweilige Meßgebiet gesendet und die aus dem Meßgebiet reflektierten Signale von der zwischen den Sendetakten als Empfänger arbeitenden Antenne aufgenommen und zur Bestimmung der betreffenden Daten analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler ein elektrostatischer Wandler ist und unter Verzicht auf eine polarisierende Vorspannung zumindest im Sendebetrieb nur mit der Signalspannung zu betreiben ist.8. Mobile device for remote measurement of meteorological data in the atmosphere, in particular for measuring wind vectors with evaluation of the Doppler effect, consisting of an acoustic antenna attached to a chassis ( 1 ) with at least one transducer and with one on the same axis ( 4 ) shielding like the transducer, whereby sound pulses are sent in a directional manner into the respective measurement area with the antenna operated as a transmitter and the signals reflected from the measurement area are picked up by the antenna working as a receiver between the transmission clocks and analyzed to determine the relevant data, characterized in that that each converter is an electrostatic converter and can be operated with the signal voltage at least in the transmission mode, without a polarizing bias.
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