RU1135318C - Способ определени внешнего масштаба турбулентности в атмосфере - Google Patents

Description

позвол ет измер ть большие значени  внешнего масштаба турбулентности, соответствующие случаю устойчивой атмосферы . Кроме того, чтобы произвести измерени  внешнего масштаба турбулентности на какой-либо высоте над поверхностью земли или же под каким-либо углом к поверхности земли, возникает необходимость поднимат-ь либо приемники лазерного излучени , либо передатчики лазерного излучени  на специальных устройствах (вышки , аэростаты, самолеты).

Целью изобретени   вл етс  дистанционное измерение внешнего масштаба турбулентности и расширение диапазона измерений.

Дл  достижени  поставленной цели в способе определени  внешнего масштаба турбулентности в атмосфере путем посылки в заданную область атмосферы двух параллельных лазерных пучков в исследуемую область атмосферы посылают перекрывающиес  лазерные пучки, разность частот которых лежит в звуковом диапазоне, определ ют ширину спектра мощности возник ,шего акустического сигнала, принимают прошедшее акустическое излучение, измер ют мощность прин того сигнала и спектральную мощность на разностной частоте посланных излучений, по отношению измеренных величин определ ют ширину спектра прин того сигнала и по изменению ширины спектра прин того акустического сигнала относительно возникшего определ ют внешний масштаб турбулентности в атмосфере.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего данный способ; на фиг. 2 блок-схема устройства, где 1 и 2 - лазерные передатчики, оси излучений которых параллельны , а диаграммы направленностей пересекаютс  в заштрихованной области, 3 остронаправленна  антенна акустического приемника, ориентированна  перпендикул рно ос м лазерных передатчиков, h - рассто ние между лазерными передатчиками и акустическим приемником.

Источником звука в данном способе будет одновременно вс  область перекрыти  лазерных излучений, и можно считать, что цилиндрическа  волна звука возникает одновременно вдоль всей оси области перекрыти  лазерных пучков при импульсной работе лазеров, так как скорость света много больше скорости звука. Проведение измерени  внешнего масштаба турбулентности в атмосфере осуществл етс  следующим образом. Лазерные источники 1 и 2 излучают знергию в узких пучках под углом а к горизонту. В области перекрыти 

пучков возникает акустическа  волна на разностной частоте излучений лазеров 1ак f2 - fi. Возникша  цилиндрическа  акустическа  волна принимаетс  узконаправленной приемной антенной 3, ориентированной под углом, близким 90° к посылаемым лазерным пучкам, так как при зтом угле обеспечиваетс  максимальна  дальность. Измер етс  мощность прин того акустического сигнала и спектральна  мощность на разностной частоте посланных излучений, определ етс  величина спектра прин того акустического сигнала, а об искомом параметре суд т по уширению спектра мощности прин того акустического сигнала относительно возникшего.

В атмосфере при одновременном распространении двух параллельНых монохроматических лазерных излучений с близкими частотами fi и fa в области перекрыти  в результате нелинейного их взаимодействи  будет генерироватьс  мощное акустическое излучение частоты faK fa - fi, направление распространени  которого перпендикул рно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический . Осуществл   посылку лазерных импульсов под углом а к поверхности земли, можно зарегистрировать мощность прошедшего акустического сигнала , возникшего на дальности посылки лазерных излучений и прошедшего через атмосферу, помеща  акустический приемник на некотором рассто нии h от лазерных передатчиков и ориентиру  его приемную антенну перпендикул рно оси лазерных пучков. При этом мощность возникшего акустического излучени  пропорциональна произведению амплитуд лазерных излучений . При распространении акустической волны через атмосферу спектр мощности ее будет ушир тьс . Величина такого уширени  записываетс  как

b bo(1+-).

(2)

где b и bo - соответственно ширина спектра мощности прин того и возникшего акустического сигнала, определ ема  как

-Ь /l(K)dK/l,, B/ln,(3)

/l(K3dK В - мощность прин того акустического сигнала:

In - пиковое значение принимаемой мощности на частоте ак,

m V/Co,(4)

V - средний поперечный направлению приема акустической волны ветер; Со - скорость звука, определ ема  как Со 20.05 VT.(5) К 2 JT / Я - волновое число; Я -длина волны; Т - абсолютна  температура; I - пространственна  полуширина возникшего акустического импульса, г 21/Со - длительность возникшего звукового импульса;(6) LO - внешний масштаб турбулентности. Переписыва  (2) относительно LO и подставл   вместо I г из (6) получим b-сV -г ТКЬ . 3Vrr(|) , Г(х) - гамма-функци , гдес ) АЬ Ь-Ьо - уширение спектра мощности прин того акустического сигнала относительно возникшего. Измер   мощность прин того акустического сигнала и спектральную мощность на частоте faK, определ ют ширину спектра мощности прин того акустического сигнала по формуле (3). Априори зна  о среднем поперечном направлению приема акустического излучени  ветре можно определить внешний масштаб турбулентности по формуле (7). Дл  СОа-лазера с круговой частотой излучени  2 Ю рад/с (длина волны 10,6 мкм) при мощности лазерных излучений 100 Вт будет генерироватьс  акустическа  мощность 0,2 МВт. При наихудших услови х распространени  лазерного и акустического излучений дальность зондировани  будет не менее 9 км при faK 500 Гц, а 45° ( а - угол посылки лазерных излучений, отсчитываемый от поверхности земли). Лазерные источники могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме излучени . Предположим, что используетс  импульсный режим работы. Тогда минимальна  длительность возникшего акустического импульса в направлении 90° относительно посылаемых лазерных пучков будет определ тьс  шириной области перекрыти  лазерных пучков на данной высоте Н от поверхности земли (см. фиг. 1), котора  при малом рассто нии между лазерными источниками и малых углах расходимости пучков имеет величину 0 h sin « cos a sin (X Co COSa 20,D5VT f Максимальна  длительность возникшего акустического импульса будет определ тьс  длительностью посылки лазерных излучений . Звуковой импульс в области перекрыти  лазерных пучков возникает и оканчиваетс  с момента начала и прекращени  посылки лазерных излучений. Поскольку скорость звука много меньше скорости света, то передний и задний фронты возникающего звукового импульса будут достаточно крутыми, чтобы считать форму возникшего звукового импульса пр моугольной . Ширина спектра мощности такого звукового импульса описываетс  соотношением bo л/т .(9) В случае непрерывной работы лазерных источников ширина спектра мощности возникшего акустического излучени  будет определ тьс  в основном стабильностью частот излучени  лазеров, котора  с применением комбинированной системы активной стабилизации частоты дл  ОКГ составл ет 10 Гц. Такой шириной спектра мощности возникшего акустического излучени  можно пренебречь. Формула С дл  случа  непрерывной работы лазерных источников упроститс  и примет вид  -С-У 2 -Ь поскольку Г-евИ Л/Т- 0. в случае импульсной работы лазерных источников с учетом (9) формула (7) перепишетс  так I - С/VГ11 - 2-АЬ где ДЬ Ь- У1/Т .(12) Формула (11)  вл етс  расчетной при реализации алгоритма способа при этом, когда длительность импульса лазерных источников больше, чем величина Гмин из (8), то в формулу (12) при расчете АЬ подставл етс  г, равное длительности импульса лазерных источников. Если длительность импульса лазерных источников меньше, чем величина Тмин из (8), то в формулу (12) подставл етс  значение Тмин, рассчитанное по формуле (8). Априорное знание поперечного среднего ветра можно получить из параллельных измерений вектора скорости ветра, например , лидером или акустическим локаторо.м. Способ осуществл етс  с помощью устройства , изображаемого на фиг. 2, где 1 С02-лазер , работающий на частоте fi 2,9х х10 Гц (что соответствует Я 10,6 мкм); 2 - СОг-лазер, работающий на частоте fc fi

+. fait: 3 - остронаправленнз  антенна акустического приемника, в качестве которой может быть использована решетка электроакустических преобразователей; 4 - синхронизатор; 5 - измеритель мощности; б узкополосный фильтр, настроенный на частоту Так; 7 -делитель напр жений; 8 - вычислительное устройство.

Электрический сигнал, возникающий в электроакустических преобразовател х антенны 3, попадает в измеритель мощности 5 и на фильтр 6. Делитель 7 производит деление напр жени , снимаемого с измерител  мощности 5 и пропорционального В, на напр жение, снимаемое с фильтра 6 и пропорциональное In. Напр жение, пропорциональное Ь, снимаетс  с делител  7 и попадает в вычислительное устройство 8. Данные о длительности импульса лазерных источников поступают в вычислительное устройство 8 с синхронизатора 4. Информаци  о среднем векторе скорости ветра по трассе распространени  возникающего акустического излучени  поступает в вычислительное устройство 8 от внешних источников данных (таких, например, как лидер дл  измерени  профил  скорости ветра ). Скорость среднего ветра, поперечного направлению приема акустического сигнала , определ етс  в вычислительном устройстве 8 как проекци  среднего вектора скорости ветра, поступающа  извне, на нормаль к направлению приема акустической волны. Окончательный расчет внешнего масштаба турбулентности проводитс  по формуле (11) в вычислительном устройстве 8.

В случае непрерывной работы лазерных источников необходимость в синхронизаторе отпадает.

Таким образом, способ позвол ет оперативно следить за величиной внешнего масштаба турбулентности в слое атмосферы , вплоть до высот более 9 км, причем диапазон изменени  измер емой величины простираетс  до максимально физически

возможных величин, наблюдаемых в реальной атмосфере.

В насто щее врем  след т за состо нием турбулентности в атмосфере, в частности за внешним масштабом турбулентности, использу  промышленно изготовл емые датчики скорости ветра и температуры. Но подобные измерени  имеют малую точность , поскольку датчики ( температуры ) имеют большое врем  усреднени ,

а отыскание рассто ни , на котором наход щиес  на разных уровн х по вертикали датчики температуры покажут одинаковый квадрат градиента средней температуры и измерение дисперсии пульсаций разности

температур на этих же уровн х - задача трудоемка  и требующа  значительного времени. Кроме того, дл  проведени  дистанционных измерений, а также измерени  больших масштабов турбулентности потребовалось бы поднимать датчики от поверхности земли и устанавливать их на мачты, аэростаты и пр.

Таким образом, базовый объект обладает р дом существенных недостатков, от ко-.

торых свободен предлагаемый способ измерени  внешнего масштаба турбулентности .

±.