RU2196345C2 - Way for radio acoustic atmosphere sounding - Google Patents

Way for radio acoustic atmosphere sounding Download PDF

Info

Publication number
RU2196345C2
RU2196345C2 RU2000112085/09A RU2000112085A RU2196345C2 RU 2196345 C2 RU2196345 C2 RU 2196345C2 RU 2000112085/09 A RU2000112085/09 A RU 2000112085/09A RU 2000112085 A RU2000112085 A RU 2000112085A RU 2196345 C2 RU2196345 C2 RU 2196345C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequencies
frequency
acoustic
radio
atmosphere
Prior art date
Application number
RU2000112085/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000112085A (en
Inventor
Юрий Николаевич Ульянов
Светлана Викторовна Бутакова
В.С. Скворцов
В.И. Ветров
Original Assignee
Акционерное общество открытого типа "Лантан"
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество открытого типа "Лантан" filed Critical Акционерное общество открытого типа "Лантан"
Priority to RU2000112085/09A priority Critical patent/RU2196345C2/en
Publication of RU2000112085A publication Critical patent/RU2000112085A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2196345C2 publication Critical patent/RU2196345C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: meteorology. SUBSTANCE: invention refers to methods establishing parameters of boundary layer of atmosphere, it can be used to determine refractive index of atmosphere on surface route of passage of electromagnetic waves. In correspondence with way acoustic packet containing pulses with duration τs0 and repetition frequency Fs0 are emitted with τs0<1MFs0, packet is irradiated with electromagnetic pulses with duration τs0, in which spectrum there are frequencies mFs0, where m= 1, 2,...M. Frequency Fe0 is tied up with frequency Fs0 by relations λs = λe/2; Ce/Fe0, where Ce is velocity of light, λs = Cs/Fs0;
Figure 00000003
is velocity of sound in air at temperature T lying in specified interval. Echo signals are received on frequencies close to mFa0, values of frequencies of Doppler shifts FD1, FD2 ..., Fdm for various ranges and phase difference of signals on various Doppler frequencies are measured. Humidity profile is determined by phase difference for entire sounding range. Altitude profile of temperature is found by frequencies of Doppler shifts with due account of values of humidity. Surface value of pressure is measured and altitude profile of air refractive index is computed. EFFECT: raised measurement accuracy. 2 dwg

Description

Изобретение относится к метеорологии, а именно к способам определения параметров пограничного слоя атмосферы, и может быть использовано для определения индекса преломления атмосферы на приземной трассе прохождения электромагнитных волн. The invention relates to meteorology, and in particular to methods for determining the parameters of the boundary layer of the atmosphere, and can be used to determine the index of refraction of the atmosphere on the surface path of passage of electromagnetic waves.

Коэффициент n преломления радиоволн в земной атмосфере записывают через индекс преломления N в виде [1. Справочник по радиолокации. Т.1. Основы радиолокации. Пер. с англ под ред. Я.С. Ицхоки. - М.: Сов. радио. 1976. 456 с. Radar Handbook. Editor-ln-Chief Merrill I. Skolnik. McGraw-Hill Book Company 1970.]
n=1+N•106,
где N=K1p/T+K2e/T2 (1)
где Т - температура в Кельвинах, р - полное атмосферное давление в мбар, е - парциальное давление водяного пара, K1=77,6 К/мбар, К2=3,73•105 К2/мбар. Погрешность определения N по формуле (3) не более 0,5% для частот f≤30 ГГц при обычно встречающихся интервалах изменений давления, температуры и влажности.
The refractive index n of radio waves in the Earth’s atmosphere is recorded through the refractive index N in the form [1. Reference for radar. T.1. Basics of radar. Per. with English, ed. Ya.S. Yitzhoki. - M .: Owls. radio. 1976. 456 p. Radar Handbook. Editor-ln-Chief Merrill I. Skolnik. McGraw-Hill Book Company 1970.]
n = 1 + N • 10 6 ,
where N = K 1 p / T + K 2 e / T 2 (1)
where T is the temperature in Kelvin, p is the total atmospheric pressure in mbar, e is the partial pressure of water vapor, K 1 = 77.6 K / mbar, K 2 = 3.73 • 10 5 K 2 / mbar. The error in the determination of N by the formula (3) is not more than 0.5% for frequencies f≤30 GHz at commonly encountered intervals of changes in pressure, temperature, and humidity.

Известен способ определения значений и градиентов N, который состоит в том, что на разной высоте метеобашни устанавливают приборы для измерения температуры и влажности; давление измеряют барометром, например чашечным, на небольшой высоте (2 м). Проводят многократные измерения с помощью указанных приборов и вычисляют, используя барометрическую формулу и уравнение (1), среднестатистическое значение индекса рефракции для данной местности. [2. Рукина А. Н. Исследование показателя преломления воздуха в нижнем 300-метровом слое атмосферы в районе Калужской области. Препринт 85. М.: ИРЭ АН СССР. - 1972. 18 с.]
В слоях атмосферы толщиной до 2000 м используют барометрическую формулу Бабине [3. Иоффе М.М., Приходько М.П. Справочник авиационного метеоролога. - М.: Воениздат МО СССР, 1977. 303 с. С. 15.]

Figure 00000004

где p1, 2 - давление, мбар; tm - средняя температура слоя воздуха, oC.A known method for determining the values and gradients of N, which consists in the fact that at different heights of the weather tower installed instruments for measuring temperature and humidity; the pressure is measured with a barometer, for example a cup, at a low height (2 m). Repeated measurements are carried out using the indicated instruments and the average statistical value of the refraction index for a given area is calculated using the barometric formula and equation (1). [2. Rukina A. N. Study of the refractive index of air in the lower 300-meter atmosphere layer in the Kaluga Region. Preprint 85. M .: IRE AN SSSR. - 1972. 18 p.]
In atmospheric layers up to 2000 m thick, use the Babinet barometric formula [3. Ioffe M.M., Prikhodko M.P. Handbook of an aeronautical meteorologist. - M .: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR, 1977.330 s. P. 15.]
Figure 00000004

where p 1, 2 - pressure, mbar; t m - average temperature of the air layer, o C.

Известен способ определения значений N, который состоит в том, что внутри контейнера устанавливают приборы для измерения температуры, влажности и давления, запускают контейнер с помощью воздушного шара и осуществляют передачу на Землю показаний приборов с помощью радиопередатчика. Такие измерения называются радиозондовыми. Общая погрешность такого определения в большей степени обусловлена ошибками метеорологических датчиков, нежели неточностью значений коэффициентов K1, K2 в формуле (1). Так, при погрешностях измерений ΔР=±2 мбар, ΔТ=±1 К, Δе=±5% (обычная точность радиозондовых измерений) средняя квадратическая ошибка вычисления N составляет ΔN=±4,1, а неопределенность значений коэффициентов K1, K2 в формуле (3) дает дополнительную погрешность δN=±1,6 [1].A known method for determining the values of N, which consists in the fact that inside the container, instruments for measuring temperature, humidity and pressure are installed, the container is launched using a balloon and the instrument readings are transmitted to the Earth using a radio transmitter. Such measurements are called radiosondes. The total error of such a determination is largely due to errors of meteorological sensors, rather than the inaccuracy of the values of the coefficients K 1 , K 2 in formula (1). So, with measurement errors ΔР = ± 2 mbar, ΔТ = ± 1 K, Δе = ± 5% (the usual accuracy of radiosonde measurements), the mean square error in calculating N is ΔN = ± 4.1, and the uncertainty of the coefficients K 1 , K 2 in formula (3) gives an additional error δN = ± 1.6 [1].

Известен способ определения значений N, который состоит в измерении диэлектрической проницаемости воздуха (ε) с помощью рефрактометра и вычислении индекса преломления по формуле

Figure 00000005
[4. Казаков Л.Я.. Ломакин А.Н. Неоднородности коэффициента преломления воздуха в тропосфере. - М.: Наука.- 1976. - 164 с.], с. 55-61. Рефрактометр может быть установлен на радиозонде, на самолете, на метеобашне, на мачте корабля. Суммарная относительная ошибка рефрактометра для наиболее часто употребляемого предела измерений в 50 N-единиц составляет 2% [4, с.71].A known method of determining the values of N, which consists in measuring the dielectric constant of air (ε) using a refractometer and calculating the refractive index by the formula
Figure 00000005
[4. Kazakov L.Ya .. Lomakin A.N. Inhomogeneities of the refractive index of air in the troposphere. - M .: Nauka. - 1976. - 164 p.], P. 55-61. The refractometer can be installed on a radiosonde, on an airplane, on a weather tower, on a ship’s mast. The total relative error of the refractometer for the most commonly used measurement limit of 50 N-units is 2% [4, p. 71].

Согласно метрологическому анализу радиометеорологических данных [5. Бин Б. Р. , Дантон Е.Дж. Радиометеорология. - Ленинград: Гидрометеоиздат. -1971. 362 с. Рис. 2.1. ] для получения погрешности не более ±1 N-ед. получены следующие допустимые значения погрешностей измерения: ΔТ=0,788 К, Δр=3,7 мбар, Δе= 0,22 мбар (относительная влажность должна определяться с погрешностью не хуже Δе=0,33% при температуре 35oС или Δе=3,0% при 0oС).According to the metrological analysis of radio meteorological data [5. Bean B.R., Danton E.J. Radio meteorology. - Leningrad: Hydrometeoizdat. -1971. 362 p. Fig. 2.1. ] to obtain an error of not more than ± 1 N-units. The following acceptable values of measurement errors were obtained: ΔТ = 0.788 K, Δр = 3.7 mbar, Δе = 0.22 mbar (relative humidity should be determined with an error not worse than Δе = 0.33% at a temperature of 35 o С or Δе = 3, 0% at 0 o C).

Перечисленные способы являются контактными и обладают общими недостатками: 1) способы не обеспечивают пространственного осредненения индекса преломления; 2) невозможно получить оперативные данных о величине индекса преломления на произвольно заданной трассе распространения радиолуча наземной радиостанции; 3) способы нельзя применить для мониторинга в реальном времени; 4) реализующие эти способы устройства не пригодны для использования в районе аэропорта ввиду создания помех воздушному движению. The listed methods are contact and have common disadvantages: 1) the methods do not provide spatial averaging of the refractive index; 2) it is impossible to obtain operational data on the value of the refractive index on an arbitrarily specified propagation path of the radio beam of a ground-based radio station; 3) the methods cannot be used for real-time monitoring; 4) devices implementing these methods are not suitable for use in the airport area due to interference with air traffic.

Для исключения перечисленных недостатков необходимо применять неконтактные способы всепогодного зондирования атмосферы с поверхности Земли. To eliminate the above drawbacks, it is necessary to apply non-contact methods for all-weather sounding of the atmosphere from the Earth's surface.

Известен способ нахождения волновода испарения над морской поверхностью с помощью радиометра (длина волны λ=2,1 см) с антенной, имеющей главный луч шириной около 1o и низкий уровень боковых лепестков (параболический рефлектор диаметром 2,5 м, облучатель в виде скалярного рупора). Антенна подвешена на борту судна. Сканирование антенны проводилось около зенитных углов θ= 85o. . . 95o. При вертикальной поляризации антенны обнаружен всплеск радиояркостной температуры под углом θ≈90o. [6. Кошель К.В., Славутский Л.А., Шевцов Б.М. Распространение УК и СВЧ радиоволн над морем. Владивосток: Дальнаука. 1993. -160 с.], с.136-141.There is a method of finding an evaporation waveguide above a sea surface using a radiometer (wavelength λ = 2.1 cm) with an antenna having a main beam with a width of about 1 o and a low level of side lobes (parabolic reflector with a diameter of 2.5 m, an irradiator in the form of a scalar horn ) The antenna is suspended on board the vessel. Antenna scanning was carried out near the zenith angles θ = 85 o . . . 95 o . With the vertical polarization of the antenna, a burst of radio brightness temperature was detected at an angle θ≈90 o . [6. Koshel K.V., Slavutsky L.A., Shevtsov B.M. Propagation of UK and microwave radio waves over the sea. Vladivostok: Dalnauka. 1993. -160 p.], P.136-141.

Недостатком радиометрического способа зондирования атмосферы является его низкая точность. Радиометрические измерения не были подтверждены проведенными одновременными независимыми метеорологическими измерениями. The disadvantage of the radiometric method of sensing the atmosphere is its low accuracy. Radiometric measurements were not confirmed by simultaneous independent meteorological measurements.

Известен способ оценки ослабления и рефракции радиоволн над морской поверхностью с помощью двухчастотного радиолокационного зондирования (λ=3; 10 см) под малыми углами места. Приемопередающие антенны кругового обзора имели ширину диаграмм направленности θг = 0,75° и 2,5o в горизонтальной плоскости, θв = 20° в вертикальной плоскости и располагались на высоте 25-26 м. Длительность импульса посылки 0,4-0,8 мкс. Способ основан на приеме обратного рассеяния радиоволн взволнованной морской поверхностью (в результате резонансного брэгговского рассеяния) [6, с. 126-135].A known method of assessing the attenuation and refraction of radio waves above the sea surface using two-frequency radar sensing (λ = 3; 10 cm) at low elevation angles. Transceiving antenna Omnidirection had beamwidth θ r = 0.75 and 2,5 o ° in a horizontal plane, θ = 20 ° in a vertical plane and located at a height of 25-26 m. Parcel 0,4-0 pulse duration, 8 μs. The method is based on the reception of backscattering of radio waves by an excited sea surface (as a result of resonant Bragg scattering) [6, p. 126-135].

Недостатком радиолокационного способа зондирования атмосферы является его ограниченное применение: способ не может быть использован при распространении радиоволн над сушей и при больших углах места. The disadvantage of the radar method of sensing the atmosphere is its limited use: the method cannot be used when propagating radio waves over land and at high elevation angles.

Известен способ определения показателя преломления радиоволн в пограничном слое атмосферы, основанный на теоретической модели [7. Андрианов В.А., Ракитин Б.В. // Радиотехника и электроника, 1978. Т. 23. 10. С. 2031-2038]. Для примения модели требуется измерение с помощью акустического локатора высотных профилей температуры и скорости ветра, а также уточнение характера атмосферных неоднородностей. Недостатком способа является ограничение его применения только некоторыми погодными условиями, так как наличие слоев в приземном слое ограничивает применимость модели [7]. A known method for determining the refractive index of radio waves in the boundary layer of the atmosphere, based on a theoretical model [7. Andrianov V.A., Rakitin B.V. // Radio engineering and electronics, 1978. T. 23. 10. S. 2031-2038]. To apply the model, it is necessary to measure the altitude profiles of temperature and wind speed with an acoustic locator, as well as clarify the nature of atmospheric inhomogeneities. The disadvantage of this method is the restriction of its use only by certain weather conditions, since the presence of layers in the surface layer limits the applicability of the model [7].

Общим недостатком способов акустического и радиолокационного зондирования атмосферы является использование естественных отражателей акустических или электромагнитных волн, возникновение таких отражателей обусловлено локальной турбулентностью атмосферы, которая может отсутствовать на разных высотах при некоторых погодных условиях. A common drawback of methods for acoustic and radar sounding of the atmosphere is the use of natural reflectors of acoustic or electromagnetic waves, the occurrence of such reflectors is due to local turbulence of the atmosphere, which may be absent at different heights in some weather conditions.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является способ радиоакустического зондирования атмосферы [8. Орлов М. Ю., Юрчак Б.С. О возможности определения влажности в приземном слое атмосферы радиоакустическим способом. // Труды института экспериментальной метеорологии, 1985, 38/121, с. 14-20], заключающийся в том, что с поверхности Земли направляют в атмосферу акустическую посылку в виде пакета синусоидальных колебаний с несущей частотой Fs, сопровождают посылку радиоимпульсами с несущей частотой Fe от доплеровского локатора, принимают электромагнитные сигналы, отраженные от возмущенного объема воздуха (эхо-сигналы), при выполнении условия Брэгга λs = λe/2, где λs, λe - длины акустической и электромагнитной волн в области отражения, по доплеровскому сдвигу принятых эхо-сигналов определяют высотные профили температуры и ветра, по затуханию эхо-сигналов находят высотный профиль влажности, измеряют приземное значение давления и вычисляют высотный профиль показателя преломления воздуха.Closest to the claimed combination of features is a method of radio-acoustic sounding of the atmosphere [8. Orlov M. Yu., Yurchak B.S. On the possibility of determining humidity in the surface layer of the atmosphere by radio-acoustic method. // Proceedings of the Institute of Experimental Meteorology, 1985, 38/121, p. 14-20], which consists in sending an acoustic package to the atmosphere in the form of a package of sinusoidal oscillations with a carrier frequency F s from the Earth’s surface, accompanying it with radio pulses with a carrier frequency F e from the Doppler radar, receiving electromagnetic signals reflected from the disturbed air volume (echo signals), when the Bragg condition λ s = λ e / 2 is fulfilled, where λ s , λ e are the lengths of acoustic and electromagnetic waves in the reflection region, the altitude temperature and temperature profiles are determined by the Doppler shift of the received echo signals According to the attenuation of the echo signals, they find the altitude profile of humidity, measure the surface pressure value and calculate the altitude profile of the refractive index of air.

Определение высотных профилей температуры и скорости ветра с помощью радиоакустического зондирования атмосферы и возможности совершенствования подробно описаны в литературе, см., например, [9. Каллистратова М.А., Кон А. И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука. 1985. 197 с.], с. 162-165. Возможность радиоакустического измерения профиля влажности основана на зависимости амплитуды отраженного сигнала от коэффициента поглощения звука, определяемого в свою очередь температурой и относительной влажностью воздуха. Однако, поскольку амплитуда принятого сигнала зависит от многих факторов, в частности от ветрового сноса и интенсивности турбулентности, то точность такого метода не может быть высокой [9, с. 165]. The determination of altitude profiles of temperature and wind speed using radio-acoustic sounding of the atmosphere and the possibility of improvement are described in detail in the literature, see, for example, [9. Kallistratova M.A., Kon A.I. Radio sounding of the atmosphere. M .: Science. 1985. 197 p.], P. 162-165. The possibility of radio-acoustic measurement of the moisture profile is based on the dependence of the amplitude of the reflected signal on the sound absorption coefficient, which in turn is determined by the temperature and relative humidity of the air. However, since the amplitude of the received signal depends on many factors, in particular, on wind drift and turbulence intensity, the accuracy of this method cannot be high [9, p. 165].

Основным недостатком прототипа является низкая точность измерения высотного хода влажности, обусловленная следующими источниками погрешности. The main disadvantage of the prototype is the low accuracy of measuring the altitude course of humidity, due to the following sources of error.

Внешние источники:
1. Добавочное поглощение звука, вызываемое турбулентностью атмосферы.
External sources:
1. Additional sound absorption caused by atmospheric turbulence.

2. Условие Брэгга может выполняться только на некоторых участках дистанции зондирования; в стратифицированной атмосфере это приводит к разной степени настройки частоты доплеровкого локатора на акустическую длину волны и отсюда к дополнительному уменьшению амплитуды отраженного сигнала. 2. The Bragg condition can be fulfilled only in some parts of the sensing distance; in a stratified atmosphere, this leads to a different degree of tuning of the frequency of the Doppler radar to the acoustic wavelength, and hence to an additional decrease in the amplitude of the reflected signal.

3. Влияние скорости и направления ветра и его пульсаций на величину эхо-сигнала. 3. The effect of the speed and direction of the wind and its pulsations on the magnitude of the echo signal.

Внутренний источник:
4. Недостаточная точность измерения СВЧ мощности принятого эхо-сигнала: при обычной погрешности измерения отношений СВЧ мощности δq= ±0,5 дБ коэффициент ослабления звука при Fs=4 кГц определяется с погрешностью до δ=100%, при повышении точности до δq = ±0,1 дБ можно достичь δ=10% [8, с 17].
Internal source:
4. Insufficient accuracy of measuring the microwave power of the received echo signal: with the usual error in measuring the microwave power ratio δ q = ± 0.5 dB, the sound attenuation coefficient at F s = 4 kHz is determined with an error of up to δ = 100%, with increasing accuracy to δ q = ± 0.1 dB, it is possible to achieve δ = 10% [8, p. 17].

Экспериментально получено [10. Ульянов Ю.Н. Точность определения влажности воздуха двухчастотным радиоакустическим зондированием. // Тр. 10 Всесоюзного симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч.2.-Томск. 1989. С. 107-111], что способ-прототип позволяет измерять профиль влажности только в штилевых условиях. Experimentally obtained [10. Ulyanov Yu.N. Accuracy of determination of air humidity by two-frequency radio-acoustic sounding. // Tr. 10 All-Union Sympos. on laser and acoustic sounding of the atmosphere. Part 2.-Tomsk. 1989. S. 107-111] that the prototype method allows you to measure the moisture profile only in calm conditions.

Повышение точности измерения СВЧ мощности принятого эхо-сигнала в способе-прототипе до δq=±0,1 дБ (2,3%) приводит к следующим последствиям. При выходной мощности акустического передатчика, например, 10 Вт порядок принимаемых эхо-сигналов составит 10-9±2,3•10-11 Вт, т.е. погрешность измерения амплитуды эхо-сигналов оказывается того же порядка, что и уровень ее пульсаций. Чувствительность приемника должна составлять по крайней мере 10-11 Вт.Improving the accuracy of measuring the microwave power of the received echo in the prototype method to δ q = ± 0.1 dB (2.3%) leads to the following consequences. With the output power of an acoustic transmitter, for example, 10 W, the order of the received echo signals will be 10 -9 ± 2.3 • 10 -11 W, i.e. the error in measuring the amplitude of the echo signals is of the same order as the level of its pulsations. The sensitivity of the receiver should be at least 10 -11 watts.

Таким образом, с учетом известных улучшающих технических решений способ-прототип не может применяться при ветре, а простое повышение точности измерения отношений СВЧ мощностей не может дать желаемого повышения точности измерения профиля влажности этим способом. Thus, taking into account the known improving technical solutions, the prototype method cannot be applied in wind, and a simple increase in the accuracy of measuring the microwave power ratio cannot give the desired increase in the accuracy of measuring the moisture profile in this way.

В основу изобретения поставлена задача повышения точности определения высотного профиля показателя преломления воздуха в пограничном слое атмосферы путем повышения точности нахождения высотных профилей температуры и влажности, при расширенном диапазоне допустимого ветра, при увеличении динамического диапазона приемника вплоть до уровня пороговой чувствительности (лишь бы эхо-сигнал был зафиксирован). The basis of the invention is the task of improving the accuracy of determining the altitude profile of the refractive index of air in the boundary layer of the atmosphere by increasing the accuracy of finding altitude profiles of temperature and humidity, with an expanded range of permissible winds, with an increase in the dynamic range of the receiver up to the threshold sensitivity level (if only the echo signal fixed).

Такой технический результат достигается тем, что в способе радиоакустического зондирования атмосферы, заключающемся в том, что с поверхности Земли направляют в атмосферу пакет акустических колебаний, сопровождают пакет радиоимпульсами от доплеровского локатора, принимают электромагнитные сигналы, отраженные от возмущенного объема воздуха (эхо-сигналы), при выполнении условия Брэгга λs = λe/2, где λs, λe - длины акустической и электромагнитной волн в области отражения, по характеристикам эхо-сигналов определяют высотные профили температуры и влажности, измеряют приземное значение давления и вычисляют высотный профиль индекса преломления воздуха, согласно изобретению излучают акустический пакет длительностью τs, состоящий из импульсов длительностью τs0, с частотой повторения Fs0, τs0<1/MFs0, облучают пакет электромагнитными посылками длительностью τe, в спектре которых имеются частоты mFe0, где m=1, 2,...M, причем частота Fe0 связана с частотой Fs0 соотношениями λs = λe/2, где λe=ce/Fe0, cе - скорость света, λs=cs/Fs0,

Figure 00000006
- скорость звука в воздухе при температуре Т, лежащей в заданном интервале от Tmin до Тmах, принимают эхо-сигналы на частотах, близких к mFeo, измеряют значения частот доплеровских смещений Fд1, Fд2,..., FдM для различных дальностей и разность фаз сигналов на разных доплеровских частотах, по разности фаз определяют профиль влажности для всего расстояния зондирования, по частотам доплеровских смещений с учетом значений влажности находят высотный профиль температуры.This technical result is achieved by the fact that in the method of radio-acoustic sounding of the atmosphere, which consists in sending a packet of acoustic vibrations to the atmosphere from the Earth’s surface, accompanying the packet with radio pulses from the Doppler radar, receiving electromagnetic signals reflected from the disturbed air volume (echo signals), when the Bragg condition is fulfilled, λ s = λ e / 2, where λ s , λ e are the lengths of the acoustic and electromagnetic waves in the reflection region, the altitude profiles of the temperature are determined from the characteristics of the echo signals tours and humidity, measure the surface pressure value and calculate the altitude profile of the refractive index of air, according to the invention emit an acoustic packet of duration τ s , consisting of pulses of duration τ s0 , with a repetition rate of F s0 , τ s0 <1 / MF s0 , irradiate the packet with electromagnetic transmissions duration τ e , in the spectrum of which there are frequencies mF e0 , where m = 1, 2, ... M, and the frequency F e0 is related to the frequency F s0 by the relations λ s = λ e / 2, where λ e = c e / F e0 , c e is the speed of light, λ s = c s / F s0 ,
Figure 00000006
- the speed of sound in air at a temperature T lying in a predetermined range from T min to T max, receiving echo signals at frequencies close to mFeo, measured values of Doppler frequency shifts F d1, F d2, ..., F Dm for any the distance and phase difference of the signals at different Doppler frequencies, the moisture profile is determined from the phase difference for the entire sensing distance, the altitude temperature profile is found from the frequencies of Doppler shifts taking into account the humidity values.

Основой предлагаемого способа радиоакустического зондирования является ранее не использованный физический эффект обратного рассеяния электромагнитной волны акустическим пакетом, образующим тонкие слои уплотнения воздуха (с увеличенной диэлектрической проницаемостью), нормальные к направлению распространения и разнесенные на расстояние, кратное половине длины электромагнитной волны. При облучении такого пакета электромагнитной посылкой из М кратных радиочастот (для которых между слоями уплотнения воздуха укладывается одна или несколько полуволн) эхо-сигналы возникают на этих радиочастотах, что соответствует их взаимодействию с М звуковыми гармониками. The basis of the proposed method of radio-acoustic sounding is a previously unused physical effect of backscattering of an electromagnetic wave by an acoustic packet, forming thin layers of air seal (with increased dielectric constant), normal to the direction of propagation and spaced a distance multiple of half the length of the electromagnetic wave. When such a packet is irradiated with an electromagnetic package of M multiple radio frequencies (for which one or more half-waves fit between the layers of air compression), echo signals appear at these radio frequencies, which corresponds to their interaction with M sound harmonics.

Определение высотного профиля температуры в предложенном способе. Determination of the altitude profile of the temperature in the proposed method.

По формуле Лапласа для сухой атмосферы
T=csd/q2, (2)
где csd -скорость звука в сухом воздухе, q=(kR/mв)1/2=20,053 - постоянная, слабо зависящая от влажности воздуха, k - отношение удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении (Ср) и постоянном объеме (Сv), R - газовая постоянная, mв - молекулярная масса воздуха.
According to the Laplace formula for a dry atmosphere
T = c sd / q 2 , (2)
where c sd is the speed of sound in dry air, q = (kR / m in ) 1/2 = 20.053 is a constant, slightly dependent on air humidity, k is the ratio of specific heat capacities of air at constant pressure (C p ) and constant volume (C v ), R is the gas constant, m in is the molecular mass of air.

Доплеровский сдвиг Fд частоты эхо-сигнала при радиоакустическом зондировании зависит от скорости звука cs в реальной атмосфере как
cs = Fдλe/2. (3)
Скорость звука cs в реальной атмосфере связана с влажностью соотношением [9, с. 32]
csd=cs (1+0,28h)-1/2, h=e/p, (4)
где h=e/p - молярная концентрация водяного пара, в процентах.
The Doppler shift F d of the frequency of the echo signal during radio sounding depends on the speed of sound c s in a real atmosphere as
c s = F d λ e / 2. (3)
The speed of sound c s in a real atmosphere is related to humidity by the ratio [9, p. 32]
c sd = c s (1 + 0.28h) -1/2 , h = e / p, (4)
where h = e / p is the molar concentration of water vapor, in percent.

Согласно [11. Fukushlma M., Tanaka H. and Furuhama Y. Radio, acoustic and radio-acoustic sounder. // J. Meteorol. Soc Japan. V. 22, 121. 1976. Р. 427-442] при измерении температуры радиоакустическим способом без учета влажности, т.е. по формулам (2), (3), максимальная погрешность достигает ΔТ= ±2,2 К. Однако это довольно большая погрешность, и она должна быть уменьшена. According to [11. Fukushlma M., Tanaka H. and Furuhama Y. Radio, acoustic and radio-acoustic sounder. // J. Meteorol. Soc Japan. V. 22, 121. 1976. P. 427-442] when measuring temperature by radio-acoustic method without taking into account humidity, ie according to formulas (2), (3), the maximum error reaches ΔТ = ± 2.2 K. However, this is a rather large error, and it should be reduced.

Если измерить влажность на всей дистанции зондирования и учесть значения влажности в формуле (4), можно уменьшить погрешность определения температурного профиля за счет ошибки нахождения влажности на конкретном расстоянии до ΔТ≤±0,5 К. If we measure humidity over the entire sensing distance and take into account the humidity values in formula (4), we can reduce the error in determining the temperature profile due to the error in finding humidity at a specific distance to ΔТ≤ ± 0.5 K.

Определение влажности по измерению сдвига фаз эхо-сигналов на двух разных частотах (дисперсионный алгоритм) в предложенном способе. Сдвиг фаз обусловлен взаимодействием звука с молекулами воздуха, а потому зависит только от влажности атмосферы и не зависит от динамической и температурной турбулентности. Determination of humidity by measuring the phase shift of the echo signals at two different frequencies (dispersion algorithm) in the proposed method. The phase shift is due to the interaction of sound with air molecules, and therefore depends only on atmospheric humidity and does not depend on dynamic and temperature turbulence.

Ниже приведены полученные нами соотношения для определения влажности воздуха по измерению сдвига фаз эхо-сигналов при двухчастотном радиоакустическом зондировании. Согласно [12. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1979. 400 с.] дисперсию скорости звука в воздухе характеризуют величиной δcs/cs= (cso0-cs0)/cs0, где cs0 и cso0 - скорость звука для очень малых и очень больших частот; величина δcs/cs не превышает 0,032%.Below are the ratios obtained by us for determining air humidity by measuring the phase shift of the echo signals during two-frequency radio-acoustic sounding. According to [12. Ultrasound. Little Encyclopedia. - M.: Soviet Encyclopedia. 1979. 400 pp.] The dispersion of the speed of sound in air is characterized by δc s / c s = (c so0 -c s0 ) / c s0 , where c s0 and c so0 are the speed of sound for very small and very large frequencies; the value of δc s / c s does not exceed 0.032%.

Теперь зависимость скорости звука от частоты [13. Бергман Л. Ультразвук и его применение в технике. Пер. с нем. 2-е изд. - М., 1957] можно записать в виде

Figure 00000007

где fp, Гц - частота релаксации, величина которой определяется выражением [9, с.39]
Figure 00000008

Из формул (5), (6) получим зависимость фазового сдвига Δφ от дальности зондирования R для эхо-сигналов, полученных зондированием на звуковой частоте f, относительно опорной частоты f0, на которой дисперсионный эффект пренебрежимо мал. Обозначим
Figure 00000009
вследствие малости величины х можем записать
Figure 00000010

откуда
Figure 00000011

По определению частоты 2πf = -Δφ/Δt; -
t=R/cs; Δt/Δcs = -R/c 2 s , отсюда 2πf = Δφc 2 s /(RΔcs), R = Δφcs/(πfx).
Подставим в последнее выражение Δφ = Δφ°π/180°, получаем
Figure 00000012

Figure 00000013

Упростим последнюю формулу, учтя в ней неравенство 1>>(f/fp)2, отражающее реально существующие в атмосфере величины влажностей, окончательно имеем
Figure 00000014

Здесь cs - скорость звука, средняя на дистанции зондирования R.Now the dependence of the speed of sound on frequency [13. Bergman L. Ultrasound and its use in technology. Per. with him. 2nd ed. - M., 1957] can be written as
Figure 00000007

where f p , Hz is the relaxation frequency, the value of which is determined by the expression [9, p . 39]
Figure 00000008

From formulas (5), (6) we obtain the dependence of the phase shift Δφ on the sounding range R for echo signals obtained by sounding at sound frequency f, relative to the reference frequency f 0 , at which the dispersion effect is negligible. We denote
Figure 00000009
due to the smallness of x, we can write
Figure 00000010

where from
Figure 00000011

By frequency definition, 2πf = -Δφ / Δt; -
t = R / c s ; Δt / Δc s = -R / c 2 s , hence 2πf = Δφc 2 s / (RΔc s ), R = Δφc s / (πfx).
We substitute in the last expression Δφ = Δφ ° π / 180 ° , we obtain
Figure 00000012

Figure 00000013

We simplify the last formula, taking into account the inequality 1 >> (f / f p ) 2 , which reflects the actual humidity values in the atmosphere, we finally have
Figure 00000014

Here c s is the speed of sound, the average at the sensing distance R.

При излучении акустического пакета с двумя кратными частотами f=Fs1, mFs1 разность фаз эхо-сигналов для расстояния зондирования R равна

Figure 00000015

откуда
Figure 00000016

Пусть для расстояния зондирования R-ΔR получены эхо-сигналы с двумя кратными частотами f=Fs2, nFs2. Разность фаз эхо-сигналов равна
Figure 00000017

откуда
Figure 00000018

Подставим в квадратное уравнение (6) значения fp=fp1 и получим решение для величин влажности h1 (усредненной на расстоянии зондирования R) и h2 (усредненной на расстоянии зондирования R-ΔR).When an acoustic packet is emitted with two multiple frequencies f = F s1 , mF s1, the phase difference of the echo signals for the sounding distance R is
Figure 00000015

where from
Figure 00000016

Let echo signals with two multiple frequencies f = F s2 , nF s2 be obtained for the sensing distance R-ΔR. The phase difference of the echo is
Figure 00000017

where from
Figure 00000018

We substitute the values f p = f p1 into quadratic equation (6) and obtain a solution for the values of humidity h 1 (averaged over the sounding distance R) and h 2 (averaged over the sounding distance R-ΔR).

Figure 00000019

Figure 00000020

Двузначность решения квадратного уравнения (6) устраняем с помощью измерений приземного значения влажности h0 и последующего итеративного перехода к остальным высотам зондирования с учетом высотного профиля температуры. Это оказывается возможным благодаря небольшому изменению влажности с высотой. Согласно [9, с. 35] в нижнем слое до 1 км относительная влажность изменяется до 10%.
Figure 00000019

Figure 00000020

The ambiguity of the solution of the quadratic equation (6) is eliminated by measuring the surface value of humidity h 0 and the subsequent iterative transition to the remaining sensing heights, taking into account the altitude temperature profile. This is possible due to a slight change in humidity with height. According to [9, p. 35] in the lower layer up to 1 km, relative humidity varies up to 10%.

Из последних двух соотношений получаем среднюю влажность в слое толщиной ΔR от R-ΔR до R, которую припишем расстоянию зондирования R-ΔR/2,

Figure 00000021

Значение h вместе с величиной температуры Т для той же высоты подставляем в формулу (1) для индекса преломления, находим
N=(p/T)(K1+K2h/T). (10)
Возможность определения влажности h по предложенному в данной заявке дисперсионному алгоритму связана с величиной турбулентности атмосферы: при наличии турбулентности возникают вариации фазы отраженного сигнала, которые должны быть меньше набега фазы, вызываемого дисперсией звука во влажной атмосфере.From the last two relations we obtain the average humidity in the layer with a thickness ΔR from R-ΔR to R, which we assign to the sensing distance R-ΔR / 2,
Figure 00000021

The value of h together with the temperature T for the same height is substituted into formula (1) for the refractive index, we find
N = (p / T) (K 1 + K 2 h / T). (10)
The possibility of determining humidity h using the dispersion algorithm proposed in this application is related to the amount of atmospheric turbulence: in the presence of turbulence, variations in the phase of the reflected signal arise, which should be less than the phase incursion caused by sound dispersion in a humid atmosphere.

На фиг. 1 представлена структурная схема радиоакустического устройства (расдара) для реализации предложенного способа. На фиг.2 приведены временные диаграммы работы радиоакустического устройства. На фиг.3 даны зависимости дальности зондирования R от длины электромагнитной волны доплеровского локатора. In FIG. 1 is a structural diagram of a radio-acoustic device (radar) for implementing the proposed method. Figure 2 shows the timing diagrams of the operation of the radio-acoustic device. Figure 3 shows the dependence of the sensing range R on the electromagnetic wavelength of the Doppler locator.

Устройство для реализации предложенного способа, согласно фиг.1, включает антенну 1, выполненную в виде комбинированной радиолокационно-акустической антенны ЕМАС (рис. 1.8 [9]). В антенне ЕМАС параболическое зеркало облучается независимо звуковыми и радиоволнами, причем оптические оси акустического и радиоизлучения совпадают. Для радиоволн антенна ЕМАС представляет собой двухзеркальную антенну Кассегрена и включает рупорный облучатель, параболический и проволочный рефлекторы, для акустических волн антенна 1 является параболической однозеркальной антенной и включает акустический излучатель и параболический рефлектор. Антенна 1 имеет два входа - радиочастотный со стороны рупорного облучателя и низкочастотный со стороны акустического излучателя. Акустическая диаграмма направленности антенны 1 "вложена" в электромагнитную диаграмму направленности. A device for implementing the proposed method, according to figure 1, includes an antenna 1 made in the form of a combined radar-acoustic antenna EMAC (Fig. 1.8 [9]). In an EMAS antenna, a parabolic mirror is irradiated independently by sound and radio waves, and the optical axes of acoustic and radio emission coincide. For radio waves, the EMAC antenna is a Cassegrain two-mirror antenna and includes a horn irradiator, parabolic and wire reflectors, for acoustic waves, antenna 1 is a parabolic single-mirror antenna and includes an acoustic emitter and parabolic reflector. Antenna 1 has two inputs - radio frequency from the side of the horn feed and low frequency from the side of the acoustic emitter. The acoustic radiation pattern of antenna 1 is “embedded” in the electromagnetic radiation pattern.

Для реализации данного способа в антенне 1, в отличие от прототипа, использован искровой акустический излучатель, который может быть выполнен, например, в соответствии с описанием [14. Подолян А.М. Широкополосный электроискровой излучатель для систем радиоакустического зондирования // Тез. докл. 7 Всесоюзного симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. 2. Томск, 1982. С. 260-263]. To implement this method in the antenna 1, in contrast to the prototype, a spark acoustic emitter is used, which can be performed, for example, in accordance with the description [14. Podolyan A.M. Broadband electrospark emitter for radio-acoustic sounding systems // Proc. doc. 7 All-Union Symp. on laser and acoustic sounding of the atmosphere. Part 2. Tomsk, 1982. S. 260-263].

Радиочастотный вход антенны 1 подсоединен к антенному коммутатору 2, который соединен с нелинейным элементом 3, малошумящим усилителем 4, формирователем опорных частот 5 и ЭВМ 6. Нелинейный элемент 3 соединен с усилителем 7 мощности СВЧ и смесителем 8, который подсоединен ко входу малошумящего усилителя 4. Формирователь опорных частот 5 подключен к усилителю 7 мощности СВЧ, к ЭВМ 6 и возбудителю 9, подключенному к акустическому излучателю антенны 1. Смеситель 8 подключен к доплеровскому фильтру 10, который подсоединен к полосовому усилителю 11. ЭВМ 6 подключена также к нелинейному элементу 3, возбудителю 9 и полосовому усилителю 11. The radio-frequency input of the antenna 1 is connected to the antenna switch 2, which is connected to a nonlinear element 3, a low-noise amplifier 4, a reference driver 5 and a computer 6. A non-linear element 3 is connected to a microwave power amplifier 7 and a mixer 8, which is connected to the input of a low-noise amplifier 4. The reference frequency driver 5 is connected to the microwave power amplifier 7, to the computer 6 and the pathogen 9 connected to the acoustic emitter of the antenna 1. The mixer 8 is connected to the Doppler filter 10, which is connected to the band-pass amplifier 11. Computer 6 also connected to a non-linear element 3, the pathogen 9 and the strip amplifier 11.

Антенный коммутатор 2 может быть выполнен на СВЧ переключателях Switches GaAs типа KSWA-2-46 [15. RF/IF designer's guide, DG-98/99. 760 pg. Handbook microwave product data directory, EEM. Mini-circuits. USA. P. 162]. Antenna switch 2 can be performed on microwave switches Switches GaAs type KSWA-2-46 [15. RF / IF designer's guide, DG-98/99. 760 pg. Handbook microwave product data directory, EEM. Mini-circuits. USA P. 162].

В качестве нелинейного элемента 3 может быть использован варактор - полупроводниковый диод, применяемый как нелинейная емкость с малыми потерями, включенный в схему умножителя частоты [16. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В. Благовещенского и Г.М.Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. 407 с. С. 244]. As a nonlinear element 3, a varactor can be used - a semiconductor diode, used as a nonlinear capacitance with low losses, included in the frequency multiplier circuit [16. Radio transmitting devices. Ed. M.V. Blagoveshchensky and G.M. Utkin. - M .: Radio and communications, 1982. 407 p. S. 244].

Малошумящий усилитель 4 выполнен, например, как прибор JS2-00100600-10-3а [17. Microwave journal euro-global editor. 1999. V. 42, 8. Р. 19]. Low-noise amplifier 4 is made, for example, as a device JS2-00100600-10-3a [17. Microwave journal euro-global editor. 1999. V. 42, 8. R. 19].

Формирователь опорных частот 5 может быть выполнен в виде возбудителя с синтезатором частоты по схеме цифрового непрямого синтеза [16, с. 351-352]. The reference frequency driver 5 can be made in the form of a pathogen with a frequency synthesizer according to the digital indirect synthesis scheme [16, p. 351-352].

В качестве ЭВМ 6 может быть использован компьютер IBM PC. As a computer 6 can be used by an IBM PC.

В качестве усилителя 7 мощности СВЧ может быть использован, например, твердотельный СВЧ усилитель типа LZY-2 [17, р.107]. As the microwave power amplifier 7, for example, a solid-state microwave amplifier of the LZY-2 type can be used [17, p. 107].

Смеситель 8 выполнен, например, по балансной схеме в твердотельном исполнении [15, с. 62]. The mixer 8 is made, for example, according to a balanced circuit in a solid-state design [15, p. 62].

Возбудитель 9 для искрового акустического излучателя может быть выполнен согласно [14]. The pathogen 9 for the spark acoustic emitter can be made according to [14].

Доплеровский фильтр 10 может быть выполнен по схеме гребенки доплеровских фильтров [1]. The Doppler filter 10 can be performed according to the scheme of the comb of Doppler filters [1].

Полосовой усилитель 11 может быть выполнен по схеме активного фильтра [18. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. - М.: Мир, 1983. 598 с. Рис. 4.17. The art of electronics. P. Horowitz, W. Hill. Cambridge University Press, 1980]. Band amplifier 11 can be performed according to the active filter circuit [18. Horowitz P., Hill W. Art of circuitry. T. 1. - M .: Mir, 1983. 598 p. Fig. 4.17. The art of electronics. P. Horowitz, W. Hill. Cambridge University Press, 1980].

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

1. По сигналу оператора ЭВМ 6 формирует сигналы на закрытие антенного коммутатора 2, на запуск формирователя опорных частот 5 и возбудителя 9, который генерирует серию электрических импульсов в течение времени τs, поступающих на вход акустического излучателя антенны 1. Формирователь опорных частот 5 синхронизирует выходной сигнал возбудителя 9. Акустический излучатель антенны 1 преобразует электрические импульсы в звуковые, образуя пакет длительностью τs, излучаемый антенной 1 в свободное пространство. Зондирующий объем акустического пакета ограничивается акустической диаграммой направленности антенны 1 и величиной (τscs)/2.
Длительность одного импульса в пакете равна τs0, период повторения импульсов в пакете равен Тs0 (см. временную диаграмму акустического канала на фиг.2).
1. Based on the operator’s signal, the computer 6 generates signals to close the antenna switch 2, to start the reference frequency driver 5 and the exciter 9, which generates a series of electrical pulses during the time τ s supplied to the input of the acoustic emitter of the antenna 1. The reference frequency driver 5 synchronizes the output exciter signal 9. The acoustic emitter of antenna 1 converts electrical pulses into sound ones, forming a packet of duration τ s emitted by antenna 1 into free space. The probe volume of the acoustic packet is limited by the acoustic radiation pattern of antenna 1 and the value (τ s c s ) / 2.
The duration of one pulse in the packet is equal to τ s0 , the pulse repetition period in the packet is equal to T s0 (see the time diagram of the acoustic channel in figure 2).

2. По окончании излучения пакета звуковых зондирующих импульсов ЭВМ 6 подает сигнал на прекращение работы возбудителя 9 и начинает работать в цикле управления электромагнитными посылками. Производятся следующие операции (см. временную диаграмму радио-канала на фиг.2). 2. At the end of the radiation of the package of sound sounding pulses, the computer 6 sends a signal to stop the operation of the pathogen 9 and begins to work in the cycle of control of electromagnetic transmissions. The following operations are performed (see the time diagram of the radio channel in figure 2).

2.1. ЭВМ 6 подает сигнал на открытие входов антенного коммутатора 2 со стороны нелинейного элемента 3 и радиочастотного входа антенны 1, а также на закрытие выхода антенного коммутатора 2 со стороны малошумящего усилителя 4, подает сигнал на формирователь опорных частот 5. Формирователь опорных частот 5 посылает сигнал частоты Fe0 в усилитель 7 мощности СВЧ, который усиливает этот сигнал и подает на нелинейный элемент 3. Нелинейный элемент 3 формирует широкополосный импульсный сигнал с частотами, кратными Fe0,
попадающий через антенный коммутатор 2 на радиочастотный вход антенны 1, и непрерывный широкополосный сигнал, поступающий на смеситель 8. Антенна 1 формирует электромагнитный импульс, пространственное распределение которого ограничивается электромагнитной диаграммой направленности антенны 1 и величиной (τece)/2.
2.2. В момент окончания электромагнитного импульса длительностью τe ЭВМ 6 выдает на антенный коммутатор 2 сигнал на закрытие входа со стороны нелинейного элемента 3 и открытие выхода антенного коммутатора 2 со стороны малошумящего усилителя 4. В течение времени τг эхо-сигналы проходят через антенну 1 и антенный коммутатор 2 на малошумящий усилитель 4, который усиливает эти сигналы и подает на смеситель 8. Смеситель 8 смешивает эхо-сигнал с сигналом, поступающим от нелинейного элемента 3. Разностные составляющие сигналов с выхода смесителя 8 подаются на доплеровский фильтр 10, где выделяются сигналы доплеровских частот, кратных Fs0, которые подаются на полосовой усилитель 11. Полосовой усилитель 11 производит разделение сигналов кратных доплеровских частот и подает их в ЭВМ 6.
2.1. Computer 6 sends a signal to open the inputs of the antenna switch 2 from the side of the nonlinear element 3 and the radio frequency input of the antenna 1, and also to close the output of the antenna switch 2 from the side of the low-noise amplifier 4, sends a signal to the driver of the reference frequencies 5. The driver of the reference frequencies 5 sends a frequency signal F e0 to the microwave power amplifier 7, which amplifies this signal and feeds to the nonlinear element 3. Nonlinear element 3 generates a broadband pulse signal with frequencies that are multiples of F e0 ,
falling through the antenna switch 2 to the radio frequency input of the antenna 1, and a continuous broadband signal supplied to the mixer 8. Antenna 1 generates an electromagnetic pulse, the spatial distribution of which is limited by the electromagnetic radiation pattern of antenna 1 and the value (τ e c e ) / 2.
2.2. At the end of the electromagnetic pulse with a duration of τ e, the computer 6 sends a signal to the antenna switch 2 to close the input from the side of the nonlinear element 3 and open the output of the antenna switch 2 from the low-noise amplifier 4. During the time τ g, the echo signals pass through the antenna 1 and antenna a switch 2 to a low-noise amplifier 4, which amplifies these signals and supplies it to the mixer 8. The mixer 8 mixes the echo signal with the signal from the nonlinear element 3. The difference components of the signals from the output of the mixer 8 are fed It is coupled to a Doppler filter 10, where the signals of Doppler frequencies that are multiples of F s0 are extracted and fed to a band-pass amplifier 11. The band-pass amplifier 11 separates the signals of multiple Doppler frequencies and feeds them to the computer 6.

2.3. В течение времени τp ЭВМ 6 производит обработку принятых эхо-сигналов в соответствии с алгоритмом, определенным формулами (2)-(10).2.3. During the time τ p, the computer 6 processes the received echo signals in accordance with the algorithm defined by formulas (2) - (10).

2.4. По окончании интервала времени τp ЭВМ 6 подает сигнал в соответствии с п.1, после чего п.п. 2.1-2.3 повторяются еще N-1 раз.2.4. At the end of the time interval τ p the computer 6 sends a signal in accordance with claim 1, after which p. 2.1-2.3 are repeated N-1 more times.

3. По истечении времени Ts ЭВМ 6 выдает сигнал в соответствии с п.1, после чего п.п. 1, 2 повторяются.3. After the time T s, the computer 6 generates a signal in accordance with claim 1, after which p. 1, 2 are repeated.

Оценим величины дальностей зондирования по предложенному способу. Для примера подставим значения е=18,4 мбар (что соответствует при Т=293 К относительной влажности е/Е=80%, Е - парциальное давление водяного пара при насыщении, мбар), р=р0, в формулу (6), получим fp1=66189 Гц.Estimate the magnitude of the sensing ranges by the proposed method. For example, we substitute the values e = 18.4 mbar (which corresponds at T = 293 K relative humidity e / E = 80%, E is the partial pressure of water vapor at saturation, mbar), p = p 0 , in the formula (6), we get f p1 = 66189 Hz.

Примем cs=340 м/с и по формуле (8) получим сдвиги фаз Δφ1max для нижней частоты Fs0=2000 Гц и одной из частот mFs0=4000, 6000, 8000, 10000 Гц на максимальной для частоты mFs0 дальности Rmax, определенной в [9, с. 123]. Учитывая, что фазовые сдвиги можно измерять с помощью существующей аппаратуры радиоакустического зондирования с погрешностью не хуже 0,5o [19. Кушнир Ф. В., Савенко В.Г. Электрорадиоизмерения. -Л.: Энергия, Ленинградское отд., 1975. 367 с. С.312], найдем расстояния R, на которых сдвиг фаз Δφ1 = 2°, для тех же пар частот. Результаты сведены в таблицу.We take c s = 340 m / s and, using formula (8), we obtain phase shifts Δφ 1max for the lower frequency F s0 = 2000 Hz and one of the frequencies mF s0 = 4000, 6000, 8000, 10000 Hz at the maximum for the frequency mF s0 of the range R max defined in [9, p. 123]. Given that the phase shifts can be measured using existing radioacoustic sounding equipment with an error of no worse than 0.5 o [19. Kushnir F.V., Savenko V.G. Electro radio measurements. -L.: Energy, Leningrad Department, 1975.367 s. S.312], we find the distances R at which the phase shift Δφ 1 = 2 ° for the same frequency pairs. The results are tabulated.

Из таблицы видно, что при многочастотном радиоакустическом зондировании атмосферы, принимая эхо-сигналы с разных высот, можно получить сдвиги фаз, которые надежно измеряются современной аппаратурой. The table shows that with multi-frequency radio-acoustic sounding of the atmosphere, receiving echo signals from different heights, it is possible to obtain phase shifts, which are reliably measured by modern equipment.

На фиг.3 приведены кривые максимальной и минимальной дальности, полученной экспериментальными установками радиоакустического зондирования [9] (линии с кружочками и квадратиками). По кривой максимальной дальности найдены значения в третьей и четвертой строках таблицы. Линия с треугольниками соответствует последней строке таблицы. Figure 3 shows the curves of the maximum and minimum ranges obtained by experimental installations of radio-acoustic sounding [9] (lines with circles and squares). From the maximum range curve, values were found in the third and fourth rows of the table. A line with triangles corresponds to the last row of the table.

Оценим величины длительностей импульсов. Пусть применяется наклонное радиоакустическое зондирование под углом места θ = 40°. При высоте зондирования Н= 500 м наклонная дальность R = H/sinθ = 778 м. Имея в виду требование ICAO о разрешении по высоте ΔН=30 м, получаем разрешение по наклонной дальности Δr = ΔH/sinθ = 47 м.
Интервал температур воздуха зададим равным ±40oС (Т=233÷313 К). Из уравнения Лапласа находим интервал скоростей звука
cs=20,053•T1/2=(306,09÷354,7) м/с
и соответствующий интервал звуковых частот Fs = css=(1800-2086) Гц.
Let us estimate the magnitude of the pulse durations. Let inclined radio-acoustic sounding be used at an elevation angle θ = 40 ° . At a sounding height of H = 500 m, the inclined range R = H / sinθ = 778 m. Bearing in mind the ICAO requirement for a resolution in height ΔН = 30 m, we obtain a resolution in oblique range Δr = ΔH / sinθ = 47 m.
The air temperature range is set equal to ± 40 o C (T = 233 ÷ 313 K). From the Laplace equation we find the range of sound speeds
c s = 20,053 • T 1/2 = (306.09 ÷ 354.7) m / s
and the corresponding interval of sound frequencies F s = c s / λ s = (1800-2086) Hz.

Длительность акустического зондирующего импульса τs = Δr/cs = 140 мс определим округленно для середины диапазона звуковых скоростей (cs=335,7 м/с). Акустическая посылка содержит Ns=276 длин волн. Для обеспечения необходимого разрешения по дальности, согласно [9, ф-ла (4.26)], должно выполняться условие Ns<[π/2)λsγт/T]-1/2 = 334, где Т=293 К, γт=0,0098 К/м - сухоадиабатический градиент температуры.The duration of the acoustic sounding pulse τ s = Δr / c s = 140 ms is determined rounded for the middle of the range of sound velocities (c s = 335.7 m / s). The acoustic package contains N s = 276 wavelengths. To ensure the necessary range resolution, according to [9, file (4.26)], the condition N s <[π / 2) λ s γ t / T] -1/2 = 334, where T = 293 K, γ t = 0.0098 K / m is the dry adiabatic temperature gradient.

За время между соседними акустическими посылками каждая из них должна пройти расстояние, не меньшее, чем наклонная дальность зондирования, отсюда (Tss)≥R/cs. Получаем Ts≥2,68 с или Ts=2,7 с.During the time between adjacent acoustic packages, each of them must cover a distance no less than the inclined sensing range, hence (T ss ) ≥R / c s . We get T s ≥ 2.68 s or T s = 2.7 s.

Для определения параметров импульсов внутри акустической посылки рассмотрим спектр периодической последовательности импульсов. Наименьшая скорость спадания амплитуд первых спектральных составляющих спектра имеет место для последовательности импульсов прямоугольной формы. Согласно [20. Справочник по радиоэлектронике. Т. 1. - М.: Энергия, 1967. 640 с. С.102] спектр последовательности прямоугольных импульсов длительностью τs0 с периодом Ts0, симметричный относительно временной оси, является линейчатым, частоты равны NFs0= N/Ts0, где N=1, 2... Огибающая спектра описывается функцией Бесселя, нули которой находятся в частотных точках n/τs0, n=1, 2... При условии 1/τs0≥(M+1)Fs0 частоты mFso, m=1, 2..., М, имеют ненулевые амплитуды, так как они находятся в одном и том же (главном) лепестке функции Бесселя. Для выбранной выше частоты MFs0=10 кГц получаем длительность импульса не более τs0=83 мкс.To determine the parameters of the pulses inside the acoustic package, we consider the spectrum of a periodic sequence of pulses. The lowest decay rate of the amplitudes of the first spectral components of the spectrum takes place for a rectangular pulse train. According to [20. Handbook of Electronics. T. 1. - M .: Energy, 1967. 640 s. P.102] the spectrum of a sequence of rectangular pulses of duration τ s0 with a period T s0 symmetrical with respect to the time axis is ruled, the frequencies are NF s0 = N / T s0 , where N = 1, 2 ... The envelope of the spectrum is described by the Bessel function, zeros which are located at the frequency points n / τ s0 , n = 1, 2 ... Under the condition 1 / τ s0 ≥ (M + 1) F s0, the frequencies mFso, m = 1, 2 ..., M, have nonzero amplitudes, since they are in the same (main) lobe of the Bessel function. For the frequency MF s0 = 10 kHz chosen above, we obtain a pulse duration of no more than τ s0 = 83 μs.

Период следования радиоимпульсов Тe находим из условия нормального фазового детектирования отраженных импульсных сигналов: дискретная функция (с доплеровской частотой, равной частоте звука) должна быть представлена более чем двумя отсчетами за период следования. Поэтому 1/Te>2MFs, принимаем 2MFs= 20 кГц, тогда можно принять 1/Тe=25 кГц, т.е. Тe=40 мкс. Длительность посылки τe определяется из условия перекрытия ею расстояния разрешения, т.е. ce•τe = ΔR, откуда находим τe=47/3•108=0,16 мкс. Время между соседними радиоимпульсами Tee распределяется между временем приема отраженного радиоимпульса τг=2R/ce=5,2 мкс и временем на обработку данных τp=34,64 мкс. В течение времени между двумя соседними акустическими посылками можно излучить N = (Tss)/Te = 64000 радиоимпульсов.The follow-up period of the radio pulses T e is found from the condition of normal phase detection of reflected pulse signals: a discrete function (with a Doppler frequency equal to the sound frequency) should be represented by more than two samples for the follow-up period. Therefore, 1 / T e > 2MF s , we take 2MF s = 20 kHz, then we can take 1 / T e = 25 kHz, i.e. T e = 40 μs. The duration of the sending τ e is determined from the condition that it overlaps the resolution distance, i.e. c • e τ e = ΔR, where we find τ e = 47/3 • August 10 = 0.16 microseconds. The time between adjacent radio pulses T ee is distributed between the time of reception of the reflected radio pulse τ g = 2R / c e = 5.2 μs and the time for data processing τ p = 34.64 μs. During the time between two adjacent acoustic packages, one can radiate N = (T ss ) / T e = 64000 radio pulses.

Таким образом, предложенный способ благодаря новым операциям, указанным в формуле изобретения, позволяет исключить недостатки прототипа, решает поставленную задачу и обеспечивает достижение необходимого технического результата. Thus, the proposed method due to the new operations specified in the claims, allows to eliminate the disadvantages of the prototype, solves the problem and ensures the achievement of the necessary technical result.

Claims (1)

Способ радиоакустического зондирования атмосферы, заключающийся в том, что с поверхности Земли направляют в атмосферу пакет акустических колебаний, сопровождают пакет радиоимпульсами от доплеровского локатора, принимают эхо-сигналы при выполнении условия Брэгга λs = λe/2, где λs, λe - длины акустической и электромагнитной волн в области отражения, по характеристикам эхо-сигналов определяют высотные профили температуры и влажности, отличающийся тем, что пакет акустических колебаний длительностью τs составляют из импульсов длительностью τs0 с частотой повторения Fs0, τs0<1/МFs0, сопровождают пакет радиоимпульсами длительностью τe, в спектре которых имеются частоты mFе0, где m= 1,2, . . . М, причем частота Fе0 связана с частотой Fs0 соотношениями λs = λe/2, где λe = се/Fе0; се - скорость света; λs = сs/Fs0;
Figure 00000022
- скорость звука в воздухе при температуре Т, лежащей в заданном интервале от Тmin до Тmax, принимают эхо-сигналы на частотах, близких к mFе0, измеряют характеристики эхо-сигналов, а именно значения частот доплеровских смещений Fд1, Fд2, . . . , FдМ для различных дальностей и разность фаз сигналов на разных доплеровских частотах, по разности фаз определяют профиль влажности для всего расстояния зондирования, по частотам доплеровских смещений с учетом значений влажности находят высотный профиль температуры.
The method of radio-acoustic sounding of the atmosphere, which consists in sending a packet of acoustic vibrations to the atmosphere from the Earth’s surface, accompanying the packet with radio pulses from the Doppler radar, receiving echo signals when the Bragg condition λ s = λ e / 2, where λ s , λ e - the length of the acoustic and electromagnetic waves in the reflection region, the characteristics of the echo is determined height profiles of temperature and humidity, characterized in that the package of the acoustic oscillations of duration τ s are composed of a pulse duration w τ s0 a repetition frequency F s0, τ s0 <1 / MF s0, accompany packet radio pulse duration τ e, a frequency spectrum which are e0 mF, where m = 1,2,. . . M, and the frequency F e0 is related to the frequency F s0 by the relations λ s = λ e / 2, where λ e = c e / F e0 ; c e is the speed of light; λ s = s s / F s0 ;
Figure 00000022
- the speed of sound in air at a temperature T lying in a predetermined range from T min to T max , receive echo signals at frequencies close to mF e0 , measure the characteristics of the echo signals, namely the values of the frequencies of Doppler displacements F d1 , F d2 , . . . , F dM for different ranges and the phase difference of the signals at different Doppler frequencies, the moisture profile is determined from the phase difference for the entire sensing distance, the altitude temperature profile is found from the frequencies of Doppler shifts taking into account the humidity values.
RU2000112085/09A 2000-05-17 2000-05-17 Way for radio acoustic atmosphere sounding RU2196345C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000112085/09A RU2196345C2 (en) 2000-05-17 2000-05-17 Way for radio acoustic atmosphere sounding

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000112085/09A RU2196345C2 (en) 2000-05-17 2000-05-17 Way for radio acoustic atmosphere sounding

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000112085A RU2000112085A (en) 2002-04-10
RU2196345C2 true RU2196345C2 (en) 2003-01-10

Family

ID=20234630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000112085/09A RU2196345C2 (en) 2000-05-17 2000-05-17 Way for radio acoustic atmosphere sounding

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2196345C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2504054C1 (en) * 2012-06-07 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО МГУЛ) Antenna for probing ionosphere
RU2510054C1 (en) * 2012-10-26 2014-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет приборостроения и информатики" Method of determining vertical profile of concentration of gases in atmosphere
RU2557335C1 (en) * 2014-03-31 2015-07-20 Виктор Вячеславович Стерлядкин Differential method for determining vertical profile of gases concentration in atmosphere
RU2571870C1 (en) * 2014-09-08 2015-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ОРТИКС" Atmospheric sounding radar system
CN106685506A (en) * 2008-08-11 2017-05-17 Lg电子株式会社 Method and apparatus of transmitting information in wireless communication system
RU188985U1 (en) * 2019-03-25 2019-05-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Meteorological Acoustic Doppler Locator with Sound Translucent Dome

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ОРЛОВ М.Ю., ЮРЧАК Б.С. О возможности определения влажности в приземном слое атмосферы радиоакустическим способом. Труды института экспериментальной метеорологии, 1985, №38/121, с. 14-20. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106685506A (en) * 2008-08-11 2017-05-17 Lg电子株式会社 Method and apparatus of transmitting information in wireless communication system
US10652061B2 (en) 2008-08-11 2020-05-12 Lg Electronics Inc. Method and apparatus of transmitting information in wireless communication system
CN106685506B (en) * 2008-08-11 2020-10-16 Lg电子株式会社 Method and apparatus for transmitting information in wireless communication system
RU2504054C1 (en) * 2012-06-07 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО МГУЛ) Antenna for probing ionosphere
RU2510054C1 (en) * 2012-10-26 2014-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет приборостроения и информатики" Method of determining vertical profile of concentration of gases in atmosphere
RU2557335C1 (en) * 2014-03-31 2015-07-20 Виктор Вячеславович Стерлядкин Differential method for determining vertical profile of gases concentration in atmosphere
RU2571870C1 (en) * 2014-09-08 2015-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ОРТИКС" Atmospheric sounding radar system
RU188985U1 (en) * 2019-03-25 2019-05-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Meteorological Acoustic Doppler Locator with Sound Translucent Dome

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Albrecht et al. Surface‐based remote sensing of the observed and the adiabatic liquid water content of stratocumulus clouds
US3889533A (en) Acoustic wind sensor
US6184981B1 (en) Speckle mitigation for coherent detection employing a wide band signal
US4222265A (en) Apparatus for automatically measuring the vertical profile of the temperature in the atmosphere
EP0432887A2 (en) Pulsed coherent Doppler laser radar
US20210156683A1 (en) Method and device for measuring a layer thickness of an object
EP0829021B1 (en) System for detection and measurement of atmospheric movement
RU2196345C2 (en) Way for radio acoustic atmosphere sounding
US8422001B2 (en) Method of measuring the velocity of an aircraft by laser doppler anemometry
Jahagirdar A high dynamic range miniature DDS-based FMCW radar
RU2039352C1 (en) Method of measuring dielectric permeabilities and thicknesses of layers of multilayer medium
Peters et al. Measurements of momentum flux in the boundary layer by RASS
RU2696015C1 (en) Method for determining the ambipolar diffusion coefficient in the earth&#39;s lower ionosphere
RU2000112085A (en) METHOD FOR RADIOACOUSTIC SOUNDING OF THE ATMOSPHERE
JP2006226711A (en) Radar
SU1122986A1 (en) Wind shift determination device
Saffold et al. Radar-acoustic interaction for IFF applications
US3366954A (en) Spectrographical range finder
RU2267139C2 (en) Mode of sounding of atmosphere or ocean
JPH0635963B2 (en) Method and apparatus for measuring atmospheric temperature and humidity using wave propagation
RU2019855C1 (en) Parametric echo ice detection unit
RU2805031C1 (en) Radar tomographic system for measurement of wind flow parameters
RU2152055C1 (en) Method for radio-acoustic tilt sounding of atmosphere
RU2794213C2 (en) Method for operational search and detection of underwater sound source
SU656004A1 (en) Air humidity meter