DE3739094A1 - Fernmessverfahren zur bestimmung des windvektors in einem messvolumen der atmosphaere - Google Patents

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.

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.

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

Radar-Sendesignal:
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.

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.

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.