RU2196345C2 - Way for radio acoustic atmosphere sounding - Google Patents
Way for radio acoustic atmosphere sounding Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
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.]
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.]
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 [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 [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, - 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 , - 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
где fp, Гц - частота релаксации, величина которой определяется выражением [9, с.39]
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 вследствие малости величины х можем записать
откуда
По определению частоты 2πf = -Δφ/Δt; -
t=R/cs; Δt/Δcs = -R/c
Подставим в последнее выражение Δφ = Δφ°π/180°, получаем
Упростим последнюю формулу, учтя в ней неравенство 1>>(f/fp)2, отражающее реально существующие в атмосфере величины влажностей, окончательно имеем
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
where f p , Hz is the relaxation frequency, the value of which is determined by the expression [9, p . 39]
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 due to the smallness of x, we can write
where from
By frequency definition, 2πf = -Δφ / Δt; -
t = R / c s ; Δt / Δc s = -R / c
We substitute in the last expression Δφ = Δφ ° π / 180 ° , we obtain
We simplify the last formula, taking into account the
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
откуда
Пусть для расстояния зондирования R-ΔR получены эхо-сигналы с двумя кратными частотами f=Fs2, nFs2. Разность фаз эхо-сигналов равна
откуда
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
where from
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
where from
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).
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%.
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,
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,
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
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
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
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
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
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
falling through the antenna switch 2 to the radio frequency input of the
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
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
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
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 = cs/λs=(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 (Ts-τs)≥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 s -τ s ) ≥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
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 Te-τe 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 = (Ts-τs)/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 e -τ e 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 s -τ s ) / 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)
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)
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 |
-
2000
- 2000-05-17 RU RU2000112085/09A patent/RU2196345C2/en active
Non-Patent Citations (1)
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)
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'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 |