DE3739094A1 - Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaere - Google Patents
Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaereInfo
- Publication number
- DE3739094A1 DE3739094A1 DE19873739094 DE3739094A DE3739094A1 DE 3739094 A1 DE3739094 A1 DE 3739094A1 DE 19873739094 DE19873739094 DE 19873739094 DE 3739094 A DE3739094 A DE 3739094A DE 3739094 A1 DE3739094 A1 DE 3739094A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- sound
- radar
- signal
- frequency
- wind
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/86—Combinations of radar systems with non-radar systems, e.g. sonar, direction finder
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
- G01S13/951—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use ground based
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur
Bestimmung des Windvektors in einem Meßvolumen der Atmosphäre.
Die Kenntnis des Windes in den unteren Höhenschichten der Atmosphäre
ist für die meteorologische Forschung und für verschiedene
praktische Zwecke, wie die Erfassung der atmosphärischen Schadstoffausbreitung
oder die Sicherheit der Luftfahrt im Flughafenbereich
wichtig.
Für die unteren zwei- bis dreihundert Meter können im Prinzip
Masten gebaut werden, die in mehreren Höhen mit Sensoren bestückt
werden oder an denen zur Gewinnung kontinuierlicher
Profile Sensoren herauf- und heruntergefahren werden können.
Die Bau- und Betriebskosten für derartige Anlagen sind sehr
hoch, weshalb auch nur wenige meteorologische Meßdaten über
200 m Höhe auf der Welt existieren. Darüber hinaus sind dies
stationäre Anlagen, die nicht aus aktuellem Anlaß an einen
geeigneten Ort gebracht werden können. In Flughafennähe verbieten
sich solche Masten ohnehin aus Sicherheitsgründen.
Meßhöhen wesentlich oberhalb 200 m sind nur mit ballongetragenen
Radiosonden oder Meßflugzeugen erreichbar. Auf diese
Weise ist eine kontinuierliche Erfassung der meteorologischen
Bedingungen praktisch nicht möglich.
Diese unbefriedigende Situation hat sich im Laufe des vergangenen
Jahrzehnts durch die Entwicklung bodengebundener Fernmeßverfahren,
die die gewünschten Meßgrößen mit sehr viel
dichterer räumlicher und zeitlicher Auflösung und mit unvergleichlich
geringeren Betriebskosten liefern, wesentlich verbessert.
Es sind auch verschiedene Radarmeßverfahren mit sogenannten
Radar-Windprofilern bekanntgeworden.
Das Funktionsprinzip ist wie folgt:
Die vom Radar ausgesandten elektromagnetischen Wellen werden
zu einem geringen Teil aus der Atmosphäre zur Radarantenne zurückgestreut.
Diese Echos können unterschiedliche Ursachen
haben, wobei für die hochempfindlichen sogenannten clear-air-Radargeräte
Brechungsindexschwankungen der Atmosphäre genügen,
die durch turbulente räumliche Schwankungen des Wasserdampfgehaltes
oder der Temperatur hervorgerufen werden.
Wesentlich für die Funktion der Windmessung ist, daß die Strukturen
dieser Schwankungen mit dem mittleren Wind im Streuvolumen
fortgetragen werden und so zu einer Frequenzverschiebung
des Echos führen, die gleich der Dopplerverschiebung
ist, wobei der Einheitsvektor in Richtung des Radarstrahls,
der Windvektor, die auf die Richtung des Radarstrahls
projizierte Windkomponente und λ die Wellenlänge des Radars
ist.
Um den vollständigen dreidimensionalen Windvektor zu erhalten,
schwenkt man den Radarstrahl in drei nicht komplanare Richtungen,
so daß man pro Höhe drei linear unabhängige Windkomponenten
erhält, aus denen man dann durch geometrische Umrechnung den
Wind in üblicher Darstellung, z. B. als Richtung und Geschwindigkeit,
ableiten kann.
Jede auch noch so gut konstruierte Sendeantenne strahlt einen
Teil der Sendeleistung zu allen Seiten und nicht nur in die
vorgesehene Strahlrichtung ab. Entsprechendes gilt für die
Empfangsempfindlichkeit.
D. h. auch ein vertikal oder nahezu vertikal gerichtetes Radar
empfängt Echos nicht nur aus der Atmosphäre, sondern auch von
Objekten auf der Erdoberfläche. Zwar ist die Empfindlichkeit
bezüglich Bodenechos viel geringer als bezüglich Echos in
Strahlrichtung. Andererseits ist aber der Streuquerschnitt der
freien Atmosphäre um viele Größenordnungen geringer als der
von Objekten aus fester Materie.
Daher kann unter Umständen das Streusignal vom Boden stärker
sein als das aus der Atmosphäre, und so zu Verfälschungen der
Messungen führen.
Diese Bodenechos können erkannt und eliminiert werden, wenn
die reflektierenden Objekte tatsächlich in Ruhe sind. Die Eliminierung
ist jedoch praktisch nicht möglich, wenn die Objekte
Bewegungen ausführen, die mit der Windgeschwindigkeit oder auch
nur ihrem turbulenten Anteil vergleichbar sind.
Dies ist zum Beispiel der Fall bei Ästen, Zweigen oder Fernsehantennen,
die im Wind schwanken.
Diese Bodenechos treten aus folgenden Gründen besonders im
Nahbereich (<500 Meter Entfernung) auf:
- - Die Entfernungsabhängigkeit der Intensität von Echos aus der Atmosphäre ist proportional zu R -2, diejenige von Bodenechos jedoch proportional zu R -4 bis R -6 (R=Entfernung).
- - Höhere Objekte, wie Bäume oder Gebäude werden vom Radar unter einer Richtung "gesehen", die der empfindlichen Strahlachse umso näher kommt, je näher sich die Objekte am Radar befinden.
In der Praxis bedeutet also dies, daß die bekannten Radar-Windprofiler
unterhalb 500 m in der Regel nicht zuverlässig arbeiten.
Für diesen unteren Höhenbereich wird häufig ein anderes Fernmeßverfahren
eingesetzt, bei dem anstelle der elektromagnetischen
Wellen Schallwellen verwendet werden und das unter dem
Namen SODAR (Sonic Detection and Ranging) bekannt ist. Hierbei
handelt es sich um ein zu dem gepulsten Radar analoges System.
Das Verhältnis der atmosphärischen Echos zu den Bodenechos ist
im Falle von Schallwellen wesentlich günstiger.
Allerdings gibt es auch für dieses Meßverfahren Einsatzbeschränkungen:
- - Die Empfangsantennen des SODARs sind Störgeräuschen ausgesetzt, die vom Umgebungslärm, von Windgeräuschen an der dem Wind ausgesetzten Empfangsantenne oder von auf den Empfänger auftreffenden Regentropfen verursacht werden. Damit gibt es an Standorten mit großem Lärmpegel oder bei starkem Wind oder Niederschlag Meßausfälle.
- - Wegen der langen Schallaufzeit muß zwischen aufeinanderfolgenden Sendepulsen ein Abstand von mehreren Sekunden eingehalten werden. Damit besteht zwischen den Echos aufeinanderfolgender Sendepulse keine Kohärenz mehr, was eine geringere Meßgenauigkeit als beim Radar zur Folge hat. Darüber hinaus ist die erreichbare zeitliche Auflösung um eine bis zwei Größenordnungen geringer als die des Radars. Zur sofortigen Böenwarnung z. B. an Flughafen ist es daher nicht geeignet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung
des Windvektors in der Atmosphäre anzugeben, mit dem eine
Bestimmung des Windvektors bis zu Höhen von ca. 500 m erfolgen
kann, bei dem Bodenechos keine Verfälschung der Messung hervorrufen,
sowie eine hohe zeitliche Auflösung und ständige Einsatzbereitschaft
möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich im wesentlichen
dadurch aus, daß in vier Raumrichtungen gleichzeitig mit einem
ausgesandten Radarsignalen zum gleichen Meßort ein Schallsignal
gesendet wird, daß die Schallgeschwindigkeit im Meßvolumen jeweils
aus der ermittelten Frequenzverschiebung zwischen ausgesandten
und empfangenen Radarsignal oder aus der Schallfrequenz
bestimmt wird, bei der die sog. Bragg-Bedingung erfüllt ist, und
daß durch algebraische Umrechnung der für jede Meßrichtung gewonnenen
Ergebnisse der Windvektor im Meßvolumen abgeleitet wird.
Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in Anspruch 8 angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weitgehend immun gegen Bodenechos.
Eine Besonderheit dieses Verfahrens liegt darin, daß die Streuzentren
künstlich erzeugt werden und damit immer in ausreichender
Qualität vorhanden sind. Dies ist bei konventionellen Radar-Windprofilern
und auch bei dem akustischen Radar nicht der Fall,
vielmehr gibt es dort immer Zeiten, in denen wegen zu geringer
Turbulenz das Streusignal für die Messung zu gering ist.
Ferner kann mit dem Verfahren ergänzend der Temperaturverlauf
über die Höhe bestimmt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 Eine Strahlenanordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung
Fig. 2 Eine prinzipielle Meßanordnung
Fig. 3 Ein zeitliches Abtastschema
Fig. 4 Zwei Windprofile (Radialkomponenten), ermittelt
nach einem bekannten Radarmeßverfahren
Fig. 5 Zwei Schallgeschwindigkeitsprofile ermittelt nach
der Erfindung.
Bereits seit Ende der sechziger Jahre ist bekannt, daß künstlich
erzeugte Schallwellen in der Luft eine meßbare Streuung
von elektromagnetischen Wellen verursachen. Die Nutzung dieses
Effektes für die Sondierung der unteren Atmosphäre ist besonders
interessant, weil die Schallwellen aufgrund ihrer großen
Ausbreitungsgeschwindigkeit sehr gut von anderen - auch beweglichen
Objekten - unterschieden werden können.
Die Streuintensität ist proportional zum Produkt derjenigen
(dreidimensionalen) spektralen Intensitäten der beteiligten
Wellenfelder, die die sogenannte Bragg-Bedingung erfüllen:
Dabei sind
der Wellenzahlvektor des in das Streuvolumen einfallenden
elektromagnetischen Feldes,
der Wellenzahlvektor des gestreuten elektromagnetischen Feldes
und
der Wellenzahlvektor des Schallfeldes.
der Wellenzahlvektor des gestreuten elektromagnetischen Feldes
und
der Wellenzahlvektor des Schallfeldes.
Wegen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen, d. h.
der Zeitabhängigkeit der streuenden Strukturen unterscheiden
sich die Frequenzen des gestreuten Feldes von denen des einfallenden
Feldes.
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Temperatur (und in
geringem Maße vom Wasserdampfgehalt) abhängt, können aus den
Frequenzspektren des Streusignals Temperaturprofile abgeleitet
werden.
Nach diesem Prinzip arbeitende Meßsysteme sind unter dem Namen
"RASS" (Radio Acoustic Sounding System) seit längerem bekannt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß im Gegensatz zu den ursprünglichen
Annahmen die Verschiebung der Frequenzen des gestreuten
Signals nur unter sehr speziellen - in der Praxis nicht immer
erfüllten - Bedingungen, durch eine Dopplerverschiebung zu beschreiben
ist, bzw. daß die mit Hilfe der Gl. 1 ermittelte Geschwindigkeit
nicht immer mit der gesuchten Schallgeschwindigkeit
übereinstimmt. Bisher wurde dieses Verfahren nur dazu benutzt,
die Temperatur in der Atmosphäre zu bestimmen. Dabei
werden der Schall und das elektromagnetische Signal senkrecht
in die Atmosphäre gesendet, und es werden angenommen, daß die
Vertikalkomponente des Windes, die zu einer Verfälschung der
Meßergebnisse führen würde, im zeitlichen Mittel verschwindet.
Die Schallausbreitung in einem bewegten Medium ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit richtungsabhängig
ist.
Diese Richtungsabhängigkeit wird in dem beanspruchten Meßverfahren
benutzt, um das Profil der Windgeschwindigkeit in der
Atmosphäre zu bestimmen.
Da die Atmosphäre ein inhomogen bewegtes Medium darstellt, ist
die Berechnung der Schallausbreitung ein kompliziertes Problem,
das aber, wie im folgenden erläutert wird, für diese Erfindung
nicht gelöst zu werden braucht.
- - Da das Radar ein räumlich auflösendes Meßsystem ist, braucht nur das lokale Schallfeld im Meßvolumen betrachtet zu werden.
- - Die räumliche Auflösung des Radars wird so fein gewählt, daß die Bewegung des Mediums innerhalb des Meßvolumens als annähernd homogen angenommen werden kann.
- - Nicht einmal in diesem begrenzten Volumen braucht das vollständige Schallfeld betrachtet zu werden, sondern aus der allgemeinen Theorie der Streuung an schwachen Inhomogenitäten geht hervor, daß nur diejenige Fourierkomponente des Schallfeldes zur Streuung beiträgt, die die Bragg-Bedingung entsprechend Gl. 2 erfüllt. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung muß lediglich sichergestellt sein, daß diese Komponente mit ausreichender Intensität im Streuvolumen vorhanden ist.
- - Das Problem vereinfacht sich noch weiter, wenn nur Entfernungen R vom Radar betrachtet werden, in denen die Tiefe D1TR des Streuvolumens = Meßvolumen klein gegen R ist und wenn enggebündelte Strahlen verwendet werden, so daß das Wellenfeld im Streuvolumen in erster Näherung eben ist.
- - Schließlich wird angenommen, daß der Windvektor während des Meßvorgangs (wenige Sekunden) stationär ist; d. h. =0.
Der Schalldruck pa einer ebenen harmonischen Welle in einem
Koordinatensystem das mit einem gleichförmig, geradlinig
bewegten Medium mitgeführt wird, lautet:
Dabei ist ω m die in dem mitgeführten Koordinatensystem zu beobachtende
Frequenz und ϕ m eine beliebige Phase.
Die Beziehung zwischen dem mitgeführten und einem ruhenden
Koordinatensystem ist
Wenn Gl. (6) in Gl. (5a) eingesetzt wird, läßt sich das Schallfeld
in einem ruhenden Koordinatensystem durch
beschreiben.
Diese Schallfrequenz ist durch die zeitliche Ableitung der
Phase gegeben und beträgt im ruhenden Koordinatensystem, wie
aus Gl. (5b) ersichtlich:
Im mitbewegten Koordinatensystem gilt die übliche Dispersionsrelation
ω m = k a · c m (8)
wobei c m die (temperaturabhängige) Schallgeschwindigkeit relativ
zum Medium ist.
Durch Einsetzen in Gl. (7) erhält man
Gl. (9) ist die für ein bewegtes Medium verallgemeinertes Diskpersionsrelation
von Schallwellen.
Bei Beschränkung des Meßvorgangs auf den praktisch wichtigen
Fall, daß die Sende- und Empfangsantenne des Radars am gleichen
Ort, und zwar im Ursprung des (ruhenden) Koordinatensystems,
stehen, gilt die Bragg-Bedingung entsprechend Gl. (3).
Die Richtung des elektromagnetischen Wellenzahlvektors ist parallel
zum Vektor oder mit
Damit läßt sich für Gl. (9) schreiben:
wobei ω o und k e das Frequenz-Wellenzahl-Paar ist, bei dem maximales
Streusignal aus der Richtung empfangen wird. Formal
kann mit ω o /2 * k e = c o eine Schallgeschwindigkeit im ruhenden
Koordinatensystem definiert und in Gl. (11) eingeführt werden:
c o = c m + r m · v x + r y · v y + r z v z (12)
wobei r x, r y, r z und v x, v y, v z die karthesischen Komponenten
des Einheitsvektors bzw. des Windvektors sind.
c o sowie r x, r y, r z sind Meßwerte bzw. bekannte Systemparameter
und c m, v x, v y und v z sind vier Unbekannte. Hier interessiert
insbesondere der horizontale Windvektor U=(V x, v y).
Dieser kann durch Messung von c o in vier technisch besonders
leicht zu realisierenden Strahlrichtungen, wie sie in Fig. 1
dargestellt werden, bestimmt werden. Die entsprechenden Einheitsvektoren
der Strahlrichtungen lauten in diesem Fall
und die Windkomponenten ergeben sich entsprechend
v x = ( - )/2 * r x (14a)
v y = ( - )/2 * r y (14b)
Diese können dann in üblicher Weise in die Windgeschwindigkeit
U und Windrichtung D umgerechnet werden:
Eine Einrichtung zur Einrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in Fig. 2 dargestellt.
Dazu wird ein Radarwindprofiler 1 mit einem Schallsender 2 ergänzt.
Hierbei ist der Schallsender fest vertikal gerichtet
und nur die Richtung des Radarsignals ist steuerbar.
Statt eines gepulsten Radars läßt sich mit Vorteil ein FM-CW-Radar
(Frequency Modulated Continuous Wave) verwenden. Dieses
Radar benutzt einen Dauerstrich-Sender mit sägezahnförmig modulierter
Frequenz.
Der Vorteil dieses Radartypus ist die im Vergleich zu einem
gepulsten Radar geringere erforderliche Sendeleistung. Bodenechos
können im Nahbereich nämlich so stark sein, daß der Empfänger
eines gepulsten Radars wegen der großen Sendeleistung
und der entsprechend großen Echointensität übersteuert werden
könnte. In diesem Fall kann auch die Streuung an Schallwellen
nicht mehr empfangen kann.
Die Gefahr der Übersteuerung ist bei einem vergleichbaren FM-CW-Radar
geringer.
Der Nachteil ist, daß getrennte Sende- und Empfangsantennen
benötigt werden und daß bei großen Entfernungen eine zunehmende
Präzision der Modulationslinearität erforderlich ist.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch
ohne Bedeutung, welcher Radartypus verwendet wird. Die
gleichen Messungen können im Prinzip auch mit einem gepulsten
Radar durchgeführt werden.
Die festen sowie die bei ersten Versuchen eingestellten Systemparameter
des Meßaufbaus sind nachfolgend zusammengestellt:
Radar-Sendeantenne und Radar-Empfangsantenne:
Typ: Phasenarrays mit je 4×16 Hornstrahlern in rechteckiger Anordnung.
Typ: Phasenarrays mit je 4×16 Hornstrahlern in rechteckiger Anordnung.
Apertur der Arrays: 1,6 m × 4,8 m
Strahlrichtungen elektrisch umschaltbar in folgenden Richtungen:
0. Vertikal
1. Nord-Süd + 8,6 Grad Zenitwinkel
2. Nord-Süd - 8,6 Grad Zenitwinkel
3. West-Ost + 11,5 Grad Zenitwinkel
4. West-Ost - 11,5 Grad Zenitwinkel
Halbwertsbreite Nord-Süd: +- 2,3 Grad
Halbwertsbreite West-Ost: +- 0,8 Grad
Strahlrichtungen elektrisch umschaltbar in folgenden Richtungen:
0. Vertikal
1. Nord-Süd + 8,6 Grad Zenitwinkel
2. Nord-Süd - 8,6 Grad Zenitwinkel
3. West-Ost + 11,5 Grad Zenitwinkel
4. West-Ost - 11,5 Grad Zenitwinkel
Halbwertsbreite Nord-Süd: +- 2,3 Grad
Halbwertsbreite West-Ost: +- 0,8 Grad
Radar-Sendesignal:
Sendeleistung: 200 W
Frequenz: 1250 MHz
Modulationshub: 3 MHz
Modulationsfolge: 50 Hz
Sendeleistung: 200 W
Frequenz: 1250 MHz
Modulationshub: 3 MHz
Modulationsfolge: 50 Hz
Schallantenne:
Array aus 7 Hornstrahlern in sechseckiger Anordnung (Bienenwaben)
Aperturdurchmesser: ca. 1 m
Strahlrichtung: fest vertikal
Halbwertsbreite: +- 2 Grad bei völlig turbulenzfreier Atmosphäre. Bei "normaler" Turbulenz jedoch ca. +- 5 Grad.
Array aus 7 Hornstrahlern in sechseckiger Anordnung (Bienenwaben)
Aperturdurchmesser: ca. 1 m
Strahlrichtung: fest vertikal
Halbwertsbreite: +- 2 Grad bei völlig turbulenzfreier Atmosphäre. Bei "normaler" Turbulenz jedoch ca. +- 5 Grad.
Schallsendesignal:
Sendeleistung (akustisch): ca. 10 W
Frequenz: Gruppe aus acht Frequenzen parallel im jeweiligen Abstand von 5 Hz. Frequenzgruppe in 5 Hz Schritten verschiebbar zur Anpassung an die Bragg-Bedingung. Typischer Frequenzbereich 2700-2900 Hz.
Sendeleistung (akustisch): ca. 10 W
Frequenz: Gruppe aus acht Frequenzen parallel im jeweiligen Abstand von 5 Hz. Frequenzgruppe in 5 Hz Schritten verschiebbar zur Anpassung an die Bragg-Bedingung. Typischer Frequenzbereich 2700-2900 Hz.
Man erkennt, daß die Winkeldifferenz zwischen den elektromagnetischen
und akustischen Strahlachsen weit mehr als die jeweiligen
Strahlhalbwertsbreiten betragen. Die Tatsache, daß
dennoch ein Signal empfangen werden kann, ist im wesentlichen
auf die turbulente Aufweitung des Schallstrahls zurückzuführen.
Darüber hinaus ist angenommen, daß im Bereich der Halbwertsbreite
der jeweiligen Radarstrahlen eine im Mittel homogene Intensitätsverteilung
des Schallfeldes herrscht, daß die "Blickrichtung"
also im wesentlichen durch den Radarstrahl bestimmt wird.
Diese Näherung entfällt, wenn die Schallstrahlen parallel mit
den Radarstrahlen umgeschaltet werden.
In einen Versuchsablauf der Erfindung wurden der Meßort und die
meteorologische Situation so gewählt, daß bei der konventionellen
Radarmessung die oben erwähnten Schwierigkeiten deutlich
auftraten.
Die jeweiligen Azimut- und Zenitwinkel sind oben angegeben, und
das zeitliche Abtastschema für eine durchgeführte Messung geht
aus Fig. 3 hervor.
Ein Beispiel von mit einem bekannten Radarmeßverfahren gewonnenen
Profilen der entsprechend Gl. (1) aus den Frequenzspektren
der Streusignale abgeleiteten Radialwindkomponenten
ist in Fig. 41 gezeigt. und liegen in der West-Ost-Ebene,
die etwa parallel zur Windrichtung war. Die entsprechende
Windkomponente ergibt sich entsprechend Gl. 14b und ist proportional
zu den Pfeillängen. Die West-Ost-Windkomponente betrug
danach in Bodennähe um 1 m/s mit einem rapiden Anstieg auf etwa
5-12 m/s oberhalb 250 m.
Die äußerst geringe Geschwindigkeit um 1 m/s in Bodennähe widersprach
der unmittelbaren Erfahrung am Meßort. Darüber hinaus ist
der nahezu verschwindende Wind im Bereich um 500 m unplausibel
und ebenfalls offensichtlich durch Festechos bedingt. Diese Erklärung
wird auch durch die Tatsache unterstützt, daß ober- und
unterhalb von 500 m Meßausfälle auftaten. (Meßausfälle treten
u. a. nämlich dann auf, wenn die Intensitäten von Festecho und
Turbulenz-Streusignal vergleichbar sind, aber ihre Dopplerverschiebungen
so verschieden sind, daß ein bimodales Frequenzspektrum
entsteht).
Fig. 5a zeigt im Vergleich die Profile der Schallgeschwindigkeiten
und , die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt
werden.
Hier fällt zunächst auf, daß das Profil nicht so hoch
reicht wie das Profil. Das hängt damit zusammen, daß die
Achse des Schallstrahls trotz vertikaler Orientierung wegen
einer Verdriftung des Schalls windabwärts geneigt ist. Zur
Kompensierung dieser Verdriftung ist die Schallantenne um den
Betrag D windaufwärts verschoben (siehe Fig. 2). Oberhalb der
Meßhöhe H = D * c m/U ist der Abstand von der Schallstrahlachse zu
der windaufwärts geneigten Radarstrahlachse () größer als zu
der windabwärtsgeneigten Radarstrahlachse () und daher wird
hier ein schwächers Streusignal geliefert.
Bei einem System mit schwenkbarer Schallstrahlachse würden die
Profile unter den gleichen Bedingungen bis über 700 m Meßhöhe
reichen.
In 50, 100 und 150 m Meßhöhe wird aber (nach Gl. 14b) eine
West-Ost-Windkomponente von 2,5 bis 3 m/s ermittelt, die wesentlich
besser mit der Bodenbeobachtung übereinstimmt als die
konventionelle Radarmessung.
In 200 und 250 m Meßhöhe liefern die beiden Meßverfahren dann
etwa gleiche Ergebnisse, nämlich 4-5 m/s.
In den Fig. 4b und 5b sind die entsprechenden Profile in
der Nord-Süd-Ebene, die etwa quer zur mittleren Windrichtung
lag, dargestellt. Hier treten erwartungsgemäß keine großen
Unterschiede zwischen den Meßverfahren auf.
Die konventionellen Messungen werden hier nämlich kaum durch
Bodenechos verfälscht, da die Dopplerverschiebung der atmosphärischen
Streuung ohnehin nahezu Null ist.
Ein erfindungsgemäßer Windprofiler könnte z. B. an folgenden
Standorten sinnvoll eingesetzt werden:
- - Zur meteorologischen Umgebungsüberwachung von Industrieanlagen,
und zwar dort,
wo ein akustisches Radar (SODAR) nicht einsetzbar ist wegen des zu hohen Umgebungslärmpegels
oder dort,
wo eine unbedingte Verfügbarkeit verlangt wird (Katastrophenschutz),
oder dort
wo auch das Temperaturprofil gemessen werden soll, um eine realistischere Schadstoffausbreitungsrechnung zu betreiben als es heute möglich ist. - - An Verkehrsflughäfen zur schnellen und sicheren Erfassung von Scherwinden oder sog. Downbursts in der Anflugschneise.
In einer weiteren verbesserten Ausgestaltung der Erfindung können
die Schallstrahler parallel mit dem Radarstrahl geschaltet
werden. Noch günstiger ist die Verwendung von sog. Split-Beam-Antennen,
bei denen überhaupt keine Umschaltung erforderlich
ist, sondern mit denen die verschiedenen Komponenten gleichzeitig
gemessen werden können.
Claims (9)
1. Verfahren zur Bestimmung des Windvektors in einem
Meßvolumen der Atmosphäre durch Messung von einer
entfernten Meßstation unter Verwendung eines in verschiedene
Richtungen abgestrahlten Radarsignals und
Auswertung des empfangenen Signals, dadurch gekennzeichnet,
daß gleichzeitig mit dem ausgesandten Radarsignal
zum gleichen Meßvolumen ein Schallsignal ausgesandt
wird, daß die Schallgeschwindigkeit im Meßvolumen
parallel zum Radarstrahl und relativ zur Meßstation entweder
aus der ermittelten Frequenzverschiebung zwischen
ausgesandten und empfangenem Radarsignal oder aus der
Schallfrequenz bestimmt wird, bei der die Bragg-Bedingung
erfüllt ist, die dann vorliegt, wenn für den fall der
parallelen Abstrahlung von Schall- und Radarsignalen die
Wellenlänge des ausgesandten Schallsignals gleich der
Hälfte der Wellenlänge des ausgesandten Radarsignals ist,
daß das Radar und das Schallsignal gleichzeitig oder
nacheinander jeweils in vier nicht in einer Ebene liegende
Richtungen abgestrahlt werden, und daß aus den für jede
Richtung ermittelten Schallgeschwindigkeiten durch algebraische
Umrechnung der Windvektor im Meßvolumen abgeleitet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Radarsignal und das Schallsignal im wesentlichen parallel
zueinander ausgesandt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schallsignal als Dauersignal abgestrahlt wird und daß aus
derjenigen Frequenz des Schallsignals, bei der das empfangene
Radarsignal einMaximum aufweist, die Schallgeschwindigkeit
abgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schallsignal aus verschiedenen gleichzeitig gesendeten
Frequenzen besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schallsignal ein Pulssignal mit Frequenzanteilen
ist, die die Bragg-Bedingungen erfüllen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schallgeschwindigkeit aus der Formel
C o = f · λ e /2bestimmt wird, wobei C o die Schallgeschwindigkeit relativ
zur Meßstation λ e die Wellenlänge des Radarsignals und
f die Frequenzverschiebung des empfangenen Radarsignals
bzw. die Schallfrequenz ist, bei der die Bragg-Bedingung
erfüllt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schallgeschwindigkeit C M relativ zum Medium und/oder
der Winkvektor durch Lösung der vier linearen Gleichungen
ermittelt werden, wobei die Einheitsvektoren parallel
zu den vier Radarstrahlrichtungen sind.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallsender
zur Aussendung eines Dauersignals oder Pulssignals vorgesehen
ist, daß ferner ein kohärentes Radar vorgesehen
ist, dessen Strahlrichtung in vier nicht in einer Ebene
liegende Richtungen schwenkbar ist, und daß ein Frequenzanalysator
zur Feststellung der Differenzfrequenz zwischen
Radarsender und Empfangsfrequenz oder zur Bestimmung der
Schallfrequenz, bei der die Bragg-Bedingung erfüllt ist,
dient.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung der
Strahlrichtungen des Radars durch elektrische Steuerung
eines Phasenarrays erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873739094 DE3739094A1 (de) | 1987-11-14 | 1987-11-14 | Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaere |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873739094 DE3739094A1 (de) | 1987-11-14 | 1987-11-14 | Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaere |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3739094A1 true DE3739094A1 (de) | 1989-05-24 |
Family
ID=6340716
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873739094 Withdrawn DE3739094A1 (de) | 1987-11-14 | 1987-11-14 | Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaere |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3739094A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0436048A1 (de) * | 1990-01-02 | 1991-07-10 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Verfahren und System zur Messung von atmosphärischen Windfeldern mittels räumlich versetzten, schrÀ¤g strahlenden Antennen |
US6070461A (en) * | 1995-05-24 | 2000-06-06 | Triad A/S | System for detection and measurement of atmospheric movement |
DE102004034894A1 (de) * | 2004-07-19 | 2006-03-16 | Diehl Bgt Defence Gmbh & Co. Kg | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Windgeschwindigkeit |
DE102007001057A1 (de) | 2007-01-03 | 2008-07-10 | Thiermann, Volker, Dipl.-Meteor. Dr. | Vorrichtung zur radioakustischen Fernmessung von mindestens zwei Komponenten eines Strömungsgeschwindigkeitsvektors |
-
1987
- 1987-11-14 DE DE19873739094 patent/DE3739094A1/de not_active Withdrawn
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0436048A1 (de) * | 1990-01-02 | 1991-07-10 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Verfahren und System zur Messung von atmosphärischen Windfeldern mittels räumlich versetzten, schrÀ¤g strahlenden Antennen |
US5136296A (en) * | 1990-01-02 | 1992-08-04 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. | Oblique spaced antenna method and system for measuring atmospheric wind fields |
US6070461A (en) * | 1995-05-24 | 2000-06-06 | Triad A/S | System for detection and measurement of atmospheric movement |
DE102004034894A1 (de) * | 2004-07-19 | 2006-03-16 | Diehl Bgt Defence Gmbh & Co. Kg | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Windgeschwindigkeit |
DE102007001057A1 (de) | 2007-01-03 | 2008-07-10 | Thiermann, Volker, Dipl.-Meteor. Dr. | Vorrichtung zur radioakustischen Fernmessung von mindestens zwei Komponenten eines Strömungsgeschwindigkeitsvektors |
DE102007001057B4 (de) * | 2007-01-03 | 2010-09-02 | Thiermann, Volker, Dipl.-Meteor. Dr. | Vorrichtung zur radioakustischen Fernmessung von mindestens zwei Komponenten eines Strömungsgeschwindigkeitsvektors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69023324T2 (de) | Verfahren und System zur Messung von atmosphärischen Windfeldern mittels räumlich versetzten, schräg strahlenden Antennen. | |
EP0204295A2 (de) | Messeinrichtung zur Bestimmung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre | |
EP3575816A1 (de) | Verfahren zur messung der fliessgeschwindigkeit eines mediums | |
DE69620752T2 (de) | System zur erkennung und vermessung von bewegungen der atmosphäre | |
DE10305139B4 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Niederschlagsarten in der Atmosphäre | |
DE102011015917B4 (de) | Verfahren zur Freiraum-Funksignalmessung sowie Freiraum-Funksignalmesseineinrichtung hierzu | |
EP4083660A1 (de) | Doppler lidar zur erfassung von wind- und/oder wirbelsituationen | |
EP2531822A2 (de) | Verfahren zur messung des wasserstands eines gewässers | |
DE3739094A1 (de) | Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaere | |
EP3309578A1 (de) | Verfahren zur ermittlung einer relativen dielektrizitätzahl und detektionsverfahren zum auffinden von gegenständen im erdreich | |
DE4140981A1 (de) | Verfahren zur Charakterisierung eines überflogenen Geländes mittel eines Signals einer FM/CW-Sonde | |
DE60112809T2 (de) | Verfahren zur messung der point-blank-kontrollpunktzeit eines flugzeugs | |
EP1227336B1 (de) | ROSAR-Verfahren zur Schlechtwetter-Hubschrauberlandung und zur Erkennung und Entdeckung verdeckter Ziele | |
Taylor | Terrain return measurements at X, K u, and K a band | |
CN111190149B (zh) | 基于模拟定标体的c波段极化气象雷达外定标方法 | |
DE1541480A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur radioelektrischen Untersuchung des Raumes | |
DE2440742B2 (de) | Einrichtung zur Ausschaltung von Stör- und Festzeichen | |
DE4340059C2 (de) | Verfahren zur Detektion ganz oder teilweise verborgener Inhomogenitäten | |
Chu et al. | Aspect sensitivity at tropospheric heights measured with vertically pointed beam of the Chung-Li VHF radar | |
DE102016224962B3 (de) | Synthetik-Apertur-Radarverfahren und Synthetik-Apertur-Radarsystem | |
DE4238111A1 (de) | Luftschallecholot | |
DE2532970A1 (de) | Antenne | |
WO2019170797A1 (de) | Radarsystem und verfahren zur messung horizontal aufgelöster windfelder in der mesosphäre und/oder unteren thermosphäre | |
Okamoto et al. | Remote sensing of precipitation by a satellite-borne microwave remote sensor | |
DE10112078B4 (de) | Vorrichtung zur radioakustischen Fernmessung meteorologischer Größen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |