RU2449311C1

RU2449311C1 - Method for remote measurement of wind speed and direction

Info

Publication number: RU2449311C1
Application number: RU2010139898/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Ипатов (RU); Александр Васильевич Ипатов; Виктор Иванович Дикарев (RU); Виктор Иванович Дикарев; Борис Васильевич Койнаш (RU); Борис Васильевич Койнаш; Андрей Михайлович Финкельштейн (RU); Андрей Михайлович Финкельштейн
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт прикладной астрономии РАН
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: reflector comprises a modulator-reflector 2, a system 3 of angle reflectors, a stabiliser 4 of plane of rotation of angle reflectors (a flag), a modulator support 5. The device to detect speed and direction of wind installed on a helicopter 6 comprises a transmitter 12, a duplexer 13, a transceiving antenna 14, receiving antennas 15 and 16, amplifiers 17, 22 and 23 of high frequency, a heterodyne 18, a mixer 19, an intermediate frequency amplifier 20, a meter 21 of amplitude modulation depth, multipliers 24, 25, 28, 36 and 38, bandpass filters 26 and 27, narrow band filters 29 and 37, a delay line 30, a phase detector 31, a phase meter 32 and 33, a reference generator 35, kinematically connected to a motor of the helicopter 34, a meter 39 of Doppler frequency and a processor 40.

EFFECT: higher accuracy and unambiguity of bearing measurement at a nonsetting reflector.

3 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использован в системах посадки летательных аппаратов или при измерении скорости и направления ветра в недосягаемых (например, зараженных) районах.The proposed method relates to radar measuring equipment and can be used in aircraft landing systems or in measuring wind speed and direction in unattainable (for example, infected) areas.

Известны способы дистанционного измерения скорости и направления ветра (авт. свид. СССР №№1.173.367, 1.805.753; патенты РФ №№2.017.169, 2.249.230, 2.293.351; патенты США №№3.646.555, 4.223.309, 4.835.536, 5.523, 759, 5.724.125; патенты Японии №№2.002.214.338, 2.005.249.662, 2.005.308.754, 2.006.202.476; Король О.Г., Черняк Р.Ф. Основы радиолокации и метеорологические радиолокационных устройства, 1971, С.213-328 и другие).Known methods for remote measurement of wind speed and direction (ed. Certificate of the USSR No. 1.173.367, 1.805.753; RF patents No. 02.017.169, 2.249.230, 2.293.351; US patents No. 3646.555, 4.223. 309, 4.835.536, 5.523, 759, 5.724.125; Japanese patents No. 2.002.214.338, 2.005.249.662, 2.005.308.754, 2.006.202.476; King O.G., Chernyak R.F. Fundamentals of radar and meteorological radar devices, 1971, S. 213-328 and others).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ дистанционного измерения скорости и направления ветра (патент РФ №2.017.169, G01S 13/95, 1992), который и выбран в качестве прототипа.Of the known methods, the closest to the proposed method is a remote measurement of wind speed and direction (RF patent No. 2.017.169, G01S 13/95, 1992), which is selected as a prototype.

Сущность известного способа заключается в помещении в интересующую область пространства неоседающего отражателя, его облучений электромагнитным сигналом и приеме сигнала отраженного от него с различных пеленгов приема, период амплитудной модуляции отраженного сигнала пропорционален скорости ветра, как и доплеровский сдвиг частоты, который зависит и от косинуса угла между линией визирования отражателя, и ее положения, когда оно образует с направлением ветра известный угол β в горизонтальной плоскости, а амплитуда огибающей сигнала имеет максимальное значение, когда линия визирования составляет с направлением ветра данный угол β, при приеме сигнала для каждого i-го пеленга приема измеряют глубину амплитудной модуляции принимаемого сигнала и скорость ветра с последующим нахождением их максимальных значений, если для этих максимальных значений не один и тот же истинный пеленг отражателя γ, то повторяют указанные измерения до их совпадения, если один и тот же пеленг, то измеренную скорость ветра считают истинной и определяют направление ветра относительно северного направления геофизического меридиана по формуле α=γ-β.The essence of the known method consists in placing a non-settling reflector in an area of interest, irradiating it with an electromagnetic signal and receiving a signal reflected from it from various bearings, the amplitude modulation period of the reflected signal is proportional to the wind speed, as is the Doppler frequency shift, which also depends on the cosine of the angle between the line of sight of the reflector, and its position, when it forms a known angle β in the horizontal plane with the direction of the wind, and the amplitude of the signal envelope and it has a maximum value when the line of sight with the wind direction makes a given angle β, when receiving a signal for each i-th bearing, measure the depth of the amplitude modulation of the received signal and the wind speed, followed by finding their maximum values, if for these maximum values there is not one the true bearing of the reflector γ, then repeat the indicated measurements until they coincide, if the same bearing, then the measured wind speed is considered true and the direction of the wind relative to the north is determined board of the geophysical meridian according to the formula α = γ-β.

При этом предполагается, что истинный пеленг γ модулятора 2 известен, он должен измеряться штатной аппаратурой летательного аппарата. Но как и каким образом - ответа нет. В этом и состоит недостаток известного способа дистанционного измерения скорости и направления ветра.It is assumed that the true bearing of γ modulator 2 is known, it should be measured by the standard equipment of the aircraft. But how and how - there is no answer. This is the disadvantage of the known method for remote measurement of wind speed and direction.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем точного и однозначного измерения пеленга на неоседающий отражатель.An object of the invention is to expand the functionality of the method by accurately and unambiguously measuring the bearing on a non-settling reflector.

Поставленная задача решается тем, что способ дистанционного измерения скорости и направления ветра, заключающийся в соответствии с ближайшим аналогом в помещении в интересующую область пространства отражателей, движущихся под действием ветра и пропорционально его скорости, облучении отражателей электромагнитным сигналом и приеме сигнала, отраженного от них с различных i-x, где i=2, 3, …, ракурсов приема, измерении пропорционального скорости ветра доплеровского сдвига частоты и истинного пеленга отражателя γ_i, вычислении скорости ветра V_Вi и направления ветра α_i, при этом в интересующую область пространства помещают неоседающий отражатель, период амплитудной модуляции отраженного от него сигнала пропорционален скорости ветра, доплеровский сдвиг частоты зависит и от косинуса угла между линией визирования отражателя, и ее положения, когда она образует с направлением ветра известный угол β в горизонтальной плоскости, а амплитуда огибающей сигнала имеет максимальное значение, когда линия визирования составляет с направлением ветpa данный угол, при приеме сигнала для каждого i-го пеленга приема измеряют глубину амплитудной модуляции m_i принятого сигнала и скорость ветра V_Вi, определяют наибольшее значение глубины амплитудной модуляции m_maх и наибольшее значение скорости ветра V_Вmах, если для получения значения m_mах и V_Вmах не один и тот же истинный пеленг отражателя γ, то повторяют вышеизложенные измерения до их совпадения, если один и тот же пеленг, то измеренную скорость ветра V_Bmax считают истинной и определяют направление ветра относительно северного направления географического меридиана по формуле α=γ-β, отличается от ближайшего аналога тем, что осуществляют обработку отраженного сигнала в измерительном и двух пеленгационных каналах, причем приемные антенны пеленгационных каналов размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, а приемопередающую антенну измерительного канала устанавливают над втулкой винта вертолета, в измерительном канале принимаемый сложный сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω_Г гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, принимаемыми в пеленгационных каналах и представляющих собой сложные сигналы с комбинированной амплитудной, частотной и фазовой модуляцией, выделяют напряжения на стабильной частоте ω_Г гетеродина, представляющие собой сложные сигналы с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией, перемножают их между собой, выделяют амплитудомодулированное напряжение на частоте Ω_В опорного генератора, равной скорости вращения винта вертолета, и обеспечивают точное, но неоднозначное измерение пеленга γ_i отражателя, одновременно напряжение второго пеленгационного канала подвергают автокорреляционной обработке, выделяют амплитудномодулированное напряжение на частоте Ω_B опорного генератора, равной скорости вращения винта вертолета, и обеспечивают грубое, но однозначное измерение пеленга γ_i отражателя, напряжение промежуточной частоты перемножают с напряжением гетеродина, выделяют напряжение, представляющее собой сложный сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией, перемножают его с зондирующим сигналом передатчика, выделяют амплитудномодулированное напряжение на доплеровской частоте, обеспечивают измерение глубины амплитудной модуляции m_i и доплеровского сдвига частоты f_дi.The problem is solved in that the method of remote measuring the speed and direction of the wind, which consists in accordance with the closest analogue in the room in the region of space of the reflectors moving under the influence of the wind and in proportion to its speed, irradiating the reflectors with an electromagnetic signal and receiving a signal reflected from them from various ix, where i = 2, 3, ..., reception angles, measuring the proportional wind speed of the Doppler frequency shift and the true bearing of the reflector γ _i , calculating the wind speed V _Bi and wind direction α _i , while a non-settling reflector is placed in the region of space of interest, the period of amplitude modulation of the signal reflected from it is proportional to the wind speed, the Doppler frequency shift depends on the cosine of the angle between the line of sight of the reflector and its position when it forms with the direction wind angle β is known in the horizontal plane, and the amplitude of the envelope of the signal has a maximum value when the line of sight is with the direction of the wind this angle, when receiving a signal for each of i-th bearing receiving measure the depth of amplitude modulation m _i of the received signal and the wind speed V _Bi, determine the highest value of the depth of amplitude modulation m _mah and the maximum value of the wind velocity V _Bmax if to obtain the value m _max and V _Bmax not the same true bearing of the reflector γ, then repeat the above measurements until they coincide, if the same bearing, then the measured wind speed V _{Bmax is} considered true and the direction of the wind relative to the north direction of the geographic meridian is determined by the formula α = γ-β differs from the closest analogue in that the reflected signal is processed in the measuring and two direction finding channels, the receiving antennas of the direction finding channels are placed at the ends of the rotor blades of the helicopter, and the transmitting and receiving antenna of the measuring channel is installed above the helicopter rotor hub, and the complex signal received from combination of amplitude modulation and frequency converted by frequency using a frequency ω _F LO isolated intermediate voltage often s, multiplies it with the signals received in the direction-finding channels and representing complex signals with a combination of amplitude, frequency and phase modulation, isolated voltage at the stable frequency ω _F LO, representing the complex signals with a combined amplitude and phase modulation, multiply them together, emit an amplitude-modulated voltage at a frequency Ω _{V of the} reference generator, equal to the speed of rotation of the helicopter propeller, and provide an accurate but ambiguous measurement of the bearing γ _i reflect While eating, at the same time the voltage of the second direction-finding channel is subjected to autocorrelation processing, the amplitude-modulated voltage is isolated at the frequency Ω _{B of the} reference generator, which is equal to the rotational speed of the helicopter rotor, and they provide a coarse, but unambiguous measurement of the bearing γ _{i of the} reflector, the voltage of the intermediate frequency is multiplied with the voltage of the local oscillator, the voltage is isolated, representing a complex signal with combined amplitude and frequency modulation, multiply it with the probe signal of the transmitter, highlight They reveal the amplitude-modulated voltage at the Doppler frequency, provide a measurement of the amplitude modulation depth m _i and the Doppler frequency shift f _di .

Кинематическая схема модулятора (отражателя) представлена на фиг.1. Геометрия измерений показана на фиг.2. Структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа изображена на фиг.3.The kinematic diagram of the modulator (reflector) is presented in figure 1. The geometry of the measurements shown in figure 2. The structural diagram of a device for implementing the proposed method is shown in figure 3.

На фиг.1-3 введены следующие обозначения: 1 - вертикальная плоскость, в которой доплеровский сдвиг и глубина амплитудной модуляции отраженного сигнала максимальна; 2 - модулятор (отражатель); 3 - система уголковых отражателей; 4 - стабилизатор плоскости вращения уголковых отражателей (флажок); 5 - опора модулятора; 6 - вертолет; 7 - траектория полета вертолета; 8 - линия визирования модулятора; 9 - местоположение вертолета, когда измерена максимальная скорость ветра; 10 - продольная строительная ось вертолета; 11 - северное направление географического меридиана.Figure 1-3 introduced the following notation: 1 - a vertical plane in which the Doppler shift and the depth of the amplitude modulation of the reflected signal is maximum; 2 - modulator (reflector); 3 - a system of corner reflectors; 4 - stabilizer of the plane of rotation of corner reflectors (flag); 5 - modulator support; 6 - a helicopter; 7 - the flight path of the helicopter; 8 - line of sight of the modulator; 9 - the location of the helicopter when the maximum wind speed is measured; 10 - longitudinal construction axis of the helicopter; 11 - the northern direction of the geographical meridian.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит измерительный канал и два пеленгационных канала.A device for implementing the proposed method contains a measuring channel and two direction finding channels.

Измерительный канал содержит последовательно включенные передатчик 12, дуплексер 13, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 14, усилитель 17 высокой частоты, смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, усилитель 20 промежуточной частоты, перемножитель 36, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, узкополосный фильтр 37, перемножитель 38, второй вход которого соединен с выходом передатчика 12, измеритель 21 глубины амплитудной модуляции и процессор 40, второй вход которого через измеритель 39 доплеровской частоты соединен с вторым выходом перемножителя 38.The measuring channel contains a series-connected transmitter 12, a duplexer 13, the input-output of which is connected to the transceiver antenna 14, a high-frequency amplifier 17, a mixer 19, the second input of which is connected to the output of the local oscillator 18, an intermediate frequency amplifier 20, a multiplier 36, the second input of which is connected with the output of the local oscillator 18, a narrow-band filter 37, a multiplier 38, the second input of which is connected to the output of the transmitter 12, an amplitude modulation depth meter 21 and a processor 40, the second input of which is through a doppler meter 39 WCSS frequency is connected to the second output of the multiplier 38.

Каждый пеленгационный канал содержит последовательно включенные приемную антенну 15 (16), усилитель 22 (23) высокой частоты, перемножитель 24 (25), второй вход которого соединен с выходом усилителя 20 промежуточной частоты, и полосовой фильтр 26 (27). При этом к выходу первого полосового фильтра 26 последовательно подключены третий перемножитель 28, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 27, узкополосный фильтр 29 и первый фазометр 32. К выходу второго полосового фильтра 27 последовательно подключены линия 30 задержки, фазовый детектор 31, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 27, и второй фазометр 33. Вторые входы фазометров 32 и 33 соединены с выходом опорного генератора 35, а выходы подключены к процессору 40. Двигатель 34 кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором 35.Each direction finding channel contains a receiving antenna 15 (16) connected in series, a high-frequency amplifier 22 (23), a multiplier 24 (25), the second input of which is connected to the output of the intermediate-frequency amplifier 20, and a band-pass filter 26 (27). At the same time, the third multiplier 28, the second input of which is connected to the output of the second band-pass filter 27, the narrow-band filter 29 and the first phase meter 32, are sequentially connected to the output of the first band-pass filter 26. The delay line 30, phase detector 31, the second are connected in series to the output of the second band-pass filter 27 the input of which is connected to the output of the second band-pass filter 27, and the second phase meter 33. The second inputs of the phase meters 32 and 33 are connected to the output of the reference generator 35, and the outputs are connected to the processor 40. The engine 34 is kinematically connected en with helicopter propeller and reference generator 35.

Приемопередающая антенна 14 размещена над втулкой винта вертолета, приемные антенны 15 и 16 пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта вертолета (фиг.2).The transceiver antenna 14 is located above the rotor hub of the helicopter, the receiving antennas 15 and 16 direction finding channels are located at the ends of the rotor blades of the helicopter (figure 2).

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

В интересующую область пространства помещают неоседающий отражатель 2, способный модулировать отражающий сигнал под действием ветра не только по фазе (доплеровский сдвиг), но и по амплитуде, так чтобы период амплитудной модуляции, как и доплеровский сдвиг, был пропорционален скорости ветра, доплеровский сдвиг зависит и от косинуса угла между линией визирования и ожидаемым ее положением, отклоненным от направления ветра на некоторый заведомо известный угол β в горизонтальной плоскости, и глубина амплитудной модуляции сигнала имела максимальное значение при совпадении линии визирования с ожидаемым ее положением. Отражатель-модулятор представляет собой флажок 4 и безынерционную систему уголковых отражателей 3, состоящую из симметрично соединенных по оси времени двух крестовин 5 и установленных на их концах уголковых отражателей, образующих раскрывом перпендикулярно плечам крепления по часовой или против часовой стрелки в плоскости крестовин. При этом в результате взаимодействия флажка 4 и системы уголковых отражателей 3 с вторым флажком 4 поворачивает систему уголковых отражателей 3 вокруг вертолетной оси и стабилизирует плоскость их вращения в вертолетной плоскости действия ветра, а система уголковых отражателей 3 вращается вокруг горизонтальной оси пропорционально скорости ветра.In a region of space of interest, a non-settling reflector 2 is placed, capable of modulating the reflecting signal under the influence of wind not only in phase (Doppler shift), but also in amplitude, so that the period of amplitude modulation, like the Doppler shift, is proportional to wind speed, the Doppler shift depends and from the cosine of the angle between the line of sight and its expected position deviated from the direction of the wind by some known angle β in the horizontal plane, and the depth of the amplitude modulation of the signal had max the maximum value when the line of sight coincides with its expected position. The reflector-modulator is a flag 4 and an inertialess system of corner reflectors 3, consisting of two crosses 5 symmetrically connected along the time axis and corner reflectors installed at their ends, forming an opening perpendicular to the mounting arms clockwise or counterclockwise in the plane of the crosses. In this case, as a result of the interaction of the flag 4 and the system of corner reflectors 3 with the second flag 4, it turns the system of corner reflectors 3 around the helicopter axis and stabilizes the plane of their rotation in the helicopter plane of the wind, and the system of corner reflectors 3 rotates around the horizontal axis in proportion to the wind speed.

При приеме измеряемой глубины амплитудной модуляции принятого сигнала: при осуществлении измерений с разных ракурсов приема сигнала от отражателя сравнивают измеренные по доплеровскому сдвигу скорости ветра и определяют наибольшую из них и, если для ее ракурса глубина амплитудной модуляции принятого сигнала также максимальна, выбирают соответствующий им истинный пеленг отражателя, если нет, то повторяют указанные операции, после чего по выбранному пеленгу и заданному углу между ожидаемым положением линии визирования отражателя и направлением ветра определяют направление ветра относительно северного направления геофизического меридиана.When receiving the measured depth of the amplitude modulation of the received signal: when performing measurements from different angles of receiving the signal from the reflector, the wind speeds measured by the Doppler shift are compared and the largest of them is determined, and if for its angle the depth of the amplitude modulation of the received signal is also maximum, the corresponding true bearing is selected if not, then repeat the indicated operations, after which, on the selected bearing and the specified angle between the expected position of the line of sight of the reflector and a systematic way the wind determine the direction of the wind from North geophysical meridian.

Предлагается решить задачу в горизонтальной плоскости и определить горизонтальную составляющую вектора скорости. Эта составляющая вектора скорости является определяющей при заходе вертолета (самолета) на посадку, т.к. необходимо определить проекцию вертикальной плоскости вектора скорости ветра 1 на горизонтальную плоскость. Для этого в модуляторе 2 обеспечивают возможность вращения системы угловых отражателей 3 в вертикальной плоскости под заданным углом β к горизонтальной составляющей вектора скорости ветра.It is proposed to solve the problem in the horizontal plane and determine the horizontal component of the velocity vector. This component of the velocity vector is decisive when the helicopter (airplane) approaches, because it is necessary to determine the projection of the vertical plane of the wind velocity vector 1 on the horizontal plane. To do this, in the modulator 2 provide the possibility of rotation of the system of angular reflectors 3 in the vertical plane at a given angle β to the horizontal component of the wind speed vector.

На фиг.1 представлен частный случай, когда β=0 можно обеспечить, например, с помощью стабилизатора плоскости вращения двух крестовин с четырьмя уголковыми отражателями на их концах. На фиг.2 показан произвольный угол β.Figure 1 shows a special case when β = 0 can be provided, for example, using a stabilizer of the plane of rotation of two crosses with four corner reflectors at their ends. Figure 2 shows an arbitrary angle β.

Вертолет 6 выполняет измерение с разных ракурсов на модулятор-отражатель 2, выполняя облет его по траектории 7. При этом передатчик 12 формирует высокочастотные импульсы, которые через дуплексер 13 поступают в приемопередающую антенну 14, излучаются ею в эфир и облучают в том числе и модулятор-отражатель 2 зондирующим сигналомThe helicopter 6 takes measurements from different angles to the modulator-reflector 2, flying around it along the trajectory 7. In this case, the transmitter 12 generates high-frequency pulses, which through the duplexer 13 enter the transceiver antenna 14, are radiated by it and irradiated, including the modulator reflector 2 by probing signal

, 0≤t≤T_c,

, 0≤t≤T _c ,

где U_c, ω_c, φ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.where U _c , ω _c , φ _c , T _c - amplitude, carrier frequency, initial phase and duration of high-frequency oscillations.

Отраженный от модулятора-отражателя 2 сигнал улавливается антеннами 14, 15 и 16:The signal reflected from the modulator-reflector 2 is captured by antennas 14, 15 and 16:

,

0≤t≤T_c,

0≤t≤T _c ,

где U₁(t), U₂(t), U₃(t) - огибающие сигнала;where U ₁ (t), U ₂ (t), U ₃ (t) are the envelopes of the signal;

±Ω_Д - доплеровское смещение частоты;± Ω _D - Doppler frequency shift;

R - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 15 и 16 (длина лопасти несущего винта вертолета);R is the radius of the circle on which the receiving antennas 15 and 16 are located (the length of the rotor blade of the helicopter);

λ - длина волны;λ is the wavelength;

Ω_B=2πR - скорость вращения приемных антенн 15 и 16 вокруг приемопередающей антенны 14 (скорость вращения винта вертолета);Ω _B = 2πR is the rotation speed of the receiving antennas 15 and 16 around the transceiver antenna 14 (rotational speed of the helicopter rotor);

γ - пеленг (азимут) на модулятор-отражатель 2.γ - bearing (azimuth) to the modulator-reflector 2.

Знаки «+» и «-» перед величиной

соответствуют диаметрально противоположным расположениям приемных антенн 15 и 16 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемопередающей антенны 14, размещенной над втулкой винта вертолета.Signs "+" and "-" before the value

correspond to diametrically opposite locations of the

receiving antennas

15 and 16 at the ends of the rotor blades of the helicopter relative to the transceiver antenna 14 located above the rotor hub of the helicopter.

Указанные сигналы представляют собой сложные сигналы с комбинированной амплитудной, частотной и фазовой модуляцией (АМ-ЧМ-ФМ). При этом период амплитудной модуляции и доплеровский сдвиг пропорциональны скорости ветра, доплеровский сдвиг зависит также и от косинуса угла между линией визирования и ожидаемым ее положением, отклоненным от направления ветра на некоторый заведомо известный угол β в горизонтальной плоскости, а глубина амплитудной модуляции сигналов имеет максимальное значение при совпадении линии визирования с ожидаемым ее положением. Фазовая модуляция определяется параметрами вращения несущего винта. Двигатель 34 кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором 35.These signals are complex signals with combined amplitude, frequency and phase modulation (AM-FM-FM). The amplitude modulation period and the Doppler shift are proportional to the wind speed, the Doppler shift also depends on the cosine of the angle between the line of sight and its expected position deviated from the wind direction by some known angle β in the horizontal plane, and the amplitude amplitude modulation depth has a maximum value when the line of sight coincides with its expected position. Phase modulation is determined by the rotor rotation parameters. The engine 34 is kinematically connected with the helicopter propeller and the reference generator 35.

Сигнал u₁(t) с выхода приемопередающей антенны 14 через дуплексер 13 и усилитель 17 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18The signal u ₁ (t) from the output of the transceiver antenna 14 through the duplexer 13 and the high-frequency amplifier 17 is supplied to the first input of the mixer 19, to the second input of which the voltage of the local oscillator 18

.

На выходе смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной частотыThe output of the mixer 19 are formed voltage Raman frequencies. The amplifier 20 is allocated an intermediate frequency voltage

0≤t≤T_C,

0≤t≤T _C ,

где

;Where

;

ω_ПР=ω_С-ω_Г - промежуточная частота;ω _PR = ω _C -ω _G - intermediate frequency;

φ_ПР=φ_С-φ_Г;φ _PR = φ _C -φ _G ;

которое подается на вторые входы перемножителей 24 и 25. На первые входы перемножителей 24 и 25 поступают принимаемые сигналы u₂(t) и u₃(t) с выходов усилителей 22 и 23 высокой частоты соответственно. На выходах перемножителей образуются амплитудно-фазомодулированные (АМ-ФМ) напряжения на стабильной частоте ω_Г гетеродина 18:which is fed to the second inputs of the multipliers 24 and 25. The received signals u ₂ (t) and u ₃ (t) from the outputs of the high-frequency amplifiers 22 and 23, respectively, are received at the first inputs of the multipliers 24 and 25. At the outputs of the multipliers, amplitude-phase-modulated (AM-FM) voltages are formed at a stable frequency ω _{G of the} local oscillator 18:

,

0≤t≤T_C,

0≤t≤T _C ,

где

;Where

;

,

которые выделяются полосовыми фильтрами 26 и 27 соответственно.which are highlighted by band pass filters 26 and 27, respectively.

Следовательно, полезная информация о пеленге γ переносится на стабильную частоту ω_Г гетеродина 18. Поэтому нестабильность несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и доплеровским смещением частоты ±Ω_Д, не влияет на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения места положения модулятора-отражателя 2. Причем величина

, входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы сигналов, принимаемых вращающимися антеннами 15 и 16 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной антенной 14.Therefore, useful information about the bearing γ is transferred to the stable frequency ω _{Г of the} local oscillator 18. Therefore, the instability of the carrier frequency caused by various destabilizing factors, including the Doppler frequency offset ± Ω _D , does not affect the direction finding result, thereby increasing the accuracy of determining the position modulator-reflector 2. Moreover, the value

, which is part of these oscillations and is called the phase modulation index, characterizes the maximum value of the phase deviation of the signals received by the rotating

antennas

15 and 16 relative to the phase of the signal received by the fixed antenna 14.

Пеленгаторное устройство тем чувствительнее к изменению угла γ, чем больше относительный размер измерительной базы R/λ. Однако с ростом R/λ уменьшается значение угловой координаты γ, при котором разность фаз превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета угла γ.The direction-finding device is the more sensitive to a change in the angle γ, the larger the relative size of the measuring base R / λ. However, with increasing R / λ, the angular coordinate γ decreases at which the phase difference exceeds 2π, i.e. ambiguity of reading the angle γ occurs.

Следовательно, при

наступает неоднозначность отсчета угла γ. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения R/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы.Therefore, for

ambiguity of reading the angle γ occurs. The elimination of this ambiguity by reducing the R / λ ratio usually does not justify itself, since the main advantage of a wide-base system is lost.

Кроме того, в диапазон метровых и особенно дециметровых волн брать малое значение R/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.In addition, in the range of meter and especially decimeter waves, it is often not possible to take a small value of R / λ due to design considerations.

Для повышения точности пеленгации модулятора-отражателя 2 в горизонтальной плоскости приемные антенны 15 и 16 размещаются на концах лопастей несущего винта вертолета. Смешение сигналов от двух диаметрально противоположных приемных антенн 15 и 16, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывают фазовую модуляцию, получаемую с помощью одной приемной антенны, вращающейся по кругу, радиус R₁ которого в два раза больше (R₁=2R).To improve the accuracy of direction finding of the modulator-reflector 2 in the horizontal plane, the receiving antennas 15 and 16 are located at the ends of the rotor blades of the helicopter. The mixing of signals from two diametrically opposite receiving antennas 15 and 16, located at the same distance R from the axis of rotation of the rotor, cause phase modulation, obtained using one receiving antenna rotating in a circle whose radius R ₁ is twice as large (R ₁ = 2R).

Действительно, на выходе перемножителя 28 образуется гармоническое напряжениеIndeed, the output of the multiplier 28 produces a harmonic voltage

, 0≤t≤T_C,

, 0≤t≤T _C ,

где

,Where

,

с индексом фазовой модуляции

R₁=2R, которое выделяется узкополосным фильтром 29 и поступает на первый вход первого фазометра 32, на второй вход которого подается напряжение опорного генератора 35with phase modulation index

R ₁ = 2R, which is allocated by a narrow-band filter 29 and enters the first input of the first phase meter 32, the second input of which is supplied with the voltage of the reference generator 35

.

Фазометр 32 обеспечивает точное, но неоднозначное измерение угловой координаты γ.The phasometer 32 provides an accurate but ambiguous measurement of the angular coordinate γ.

Для устранения возникающей при этом неоднозначности отсчета угла γ необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ. Это достигается автокорреляционной обработкой с использованием автокоррелятора, состоящего из линии задержки 30 и фазового детектора 31, что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величиныTo eliminate the ambiguity in reading the angle γ, it is necessary to reduce the phase modulation index without decreasing the R / λ ratio. This is achieved by autocorrelation processing using an autocorrelator consisting of a delay line 30 and a phase detector 31, which is equivalent to reducing the phase modulation index to

,

где d₁<R.where d ₁ <R.

На выходе автокоррелятора образуется напряжениеA voltage is generated at the output of the autocorrelator

, 0≤t≤T_C,

, 0≤t≤T _C ,

с индексом фазовой модуляции Δφ_m2, которое поступает на первый вход фазометра 32, на второй вход поступает напряжение u_o(t) опорного генератора 35. Фазометр 33 обеспечивает грубое, но однозначное измерение угла γ.with the phase modulation index Δφ _m2 , which is supplied to the first input of the phasemeter 32, the voltage u _o (t) of the reference generator 35 is supplied to the second input. The phase meter 33 provides a rough but unambiguous measurement of the angle γ.

Измеренные значения пеленга γ модулятора-отражателя 2 поступают в процессор 40.The measured values of the bearing γ of the modulator-reflector 2 are supplied to the processor 40.

Напряжение u_ПР(t) с выхода усилителя 20 промежуточной частоты одновременно поступает на первый вход перемножителя 36, на второй вход которого подается напряжение u_Г(t) гетеродина 18. На выходе перемножителя 36 образуется напряжениеThe voltage u _PR (t) from the output of the intermediate frequency amplifier 20 is simultaneously supplied to the first input of the multiplier 36, the second input of which supplies the voltage u _Г (t) of the local oscillator 18. A voltage is generated at the output of the multiplier 36

0≤t≤T_С,

0≤t≤T _C ,

где

,Where

,

которое выделяется узкополосным фильтром 37 и поступает на первый вход перемножителя 38, на второй вход которого подается напряжение u_c(t) с выхода передатчика 12 (зондирующий сигнал). На выходе перемножителя 38 образуется напряжениеwhich is allocated by a narrow-band filter 37 and fed to the first input of the multiplier 38, the second input of which is supplied with voltage u _c (t) from the output of the transmitter 12 (probe signal). The output of the multiplier 38 produces a voltage

, 0≤t≤T_C,

, 0≤t≤T _C ,

которое поступает на вход измерителя 39 доплеровской частоты. Причем величина и знак доплеровской частоты определяют величину и направление радиальной скорости. Напряжение u₉(t) одновременно поступает на вход измерителя 21 глубины амплитудной модуляции. Последний обеспечивает измерениеwhich is fed to the input of the meter 39 Doppler frequency. Moreover, the magnitude and sign of the Doppler frequency determine the magnitude and direction of the radial velocity. The voltage u ₉ (t) is simultaneously supplied to the input of the meter 21 of the amplitude modulation depth. The latter provides measurement

,

где m_i - глубина амплитудной модуляции сигнала, принимаемого с i-го ракурса;where m _i is the depth of the amplitude modulation of the signal received from the i-th angle;

U_max, U_min - максимальное и минимальное значения амплитуды сигнала, принимаемого с i-го ракурса.U _max , U _min - the maximum and minimum values of the amplitude of the signal received from the i-th angle.

Измеренные значения m_i и f_Дi поступают в процессор 40.The measured values of m _i and f _Di arrive at the processor 40.

Когда угол между линией визирования 8 и вектором скорости ветра

станет равным β (положение вертолета 6 в точке 9), измеренное значение скорости ветра будет максимальным. В этот момент доплеровский сдвиг частоты будет максимальным, а также максимальной будет и глубина амплитудной модуляции принятого сигнала (определяется диаграммой переотражения уголковых отражателей).When the angle between line of sight 8 and the wind speed vector

becomes equal to β (position of helicopter 6 at point 9), the measured value of wind speed will be maximum. At this moment, the Doppler frequency shift will be maximum, and the depth of the amplitude modulation of the received signal will also be maximum (determined by the re-reflection diagram of the corner reflectors).

Измеренный доплеровский сдвиг частоты отраженного от модулятора сигнала связан со скоростью ветра следующей зависимостью:The measured Doppler frequency shift of the signal reflected from the modulator is related to the wind speed by the following dependence:

,

где f_Дj - доплеровский сдвиг, вносимый каждым j уголковым отражателем;where f _Dj is the Doppler shift introduced by each j corner reflector;

V - линейная скорость вращения уголкового отражателя, равная скорости ветра;V is the linear rotation speed of the corner reflector, equal to the wind speed;

λ - длина волны сигнала;λ is the wavelength of the signal;

φ - угол между проекцией линии визирования на плоскость вращения и направлением линейной скорости вращения уголкового отражателя;φ is the angle between the projection of the line of sight on the plane of rotation and the direction of the linear speed of rotation of the corner reflector;

ψ - угол в горизонтальной плоскости между линией визирования и направлением ветра.ψ is the angle in the horizontal plane between the line of sight and the direction of the wind.

Существующая амплитудная модуляция с периодомExisting amplitude modulation with period

,

где R_B - радиус вращения уголкового отражателя;where R _B is the radius of rotation of the corner reflector;

n=4 - число плеч системы уголковых отражателей.n = 4 is the number of arms of the system of corner reflectors.

Измеряют доплеровский сдвиг частоты f_Дi и в процессоре 40 вычисляют по нему скорость ветра в радиальном направленииMeasure the Doppler frequency shift f _Di and in the processor 40 calculate the wind speed in the radial direction

,

измеряют истинный пеленг отражателя γ_i и повторяют вышеизложенные операции с других i-x ракурсов приема сигнала от модулятора-отражателя 2, при этом сравнивают вычисленные по доплеровскому сдвигу f_Дi скорости ветра и выбирают наибольшую из них V_max и, если для нее глубина амплитудной модуляции также максимальна, выбирают соответствующий им истинный пеленг отражателя, если нет, то повторяют вышеуказанные операции, после чего по выбранному пеленгу и заданному углу между ожидаемым положением линии визирования отражателя и направлением ветра β определяют направление ветра относительно северного направления географического меридиана:measure the true bearing of the reflector γ _i and repeat the above operations from other ix angles of receiving the signal from the modulator-reflector 2, while comparing the wind speeds calculated from the Doppler shift f _Di and select the largest of them V _max and, if the amplitude modulation depth is also maximum , choose the true bearing of the reflector corresponding to them, if not, then repeat the above operations, after which the selected bearing and the specified angle between the expected position of the line of sight of the reflector and the wind direction β determine the direction of the wind relative to the northern direction of the geographic meridian:

α=γ-β.α = γ-β.

Обеспечение степени свободы вращения уголковых отражателей в вертикальной плоскости под заданным углом β к горизонтальной составляющей вектора скорости ветра, измерение глубины амплитудной модуляции, измерение ракурса на модулятор-отражатель при измерении скорости ветра, выделение максимальной скорости ветра и максимальной глубины амплитудной модуляции позволяют определить по соответствующему им ракурсу (истинному пеленгу) направление вектора скорости.Ensuring the degree of freedom of rotation of the corner reflectors in the vertical plane at a given angle β to the horizontal component of the wind speed vector, measuring the depth of amplitude modulation, measuring the angle to the reflector modulator when measuring wind speed, highlighting the maximum wind speed and maximum depth of amplitude modulation can be determined by their corresponding angle (true bearing) direction of the velocity vector.

Таким образом, предлагаемый способ дистанционного измерения скорости и направления ветра по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает точное и однозначное измерение пеленга на модулятор-отражатель. Это достигается размещением антенн пеленгатора на лопастях несущего винта вертолета, которые реализуют частотно-фазовый метод пеленгации. При этом точность пеленгации достигается размещением приемных антенн на противоположных лопастях несущего винта вертолета, что увеличивает измерительную базу. Возникающая при этом неоднозначность устраняется использованием эффекта Доплера и автокорреляционной обработкой отраженных сигналов, что позволяет снизить индекс фазовой модуляции.Thus, the proposed method for remote measurement of wind speed and direction in comparison with the prototype and other technical solutions for a similar purpose provides an accurate and unambiguous measurement of the bearing on the modulator-reflector. This is achieved by placing the direction finding antennas on the rotor blades of the helicopter, which implement the frequency-phase direction finding method. At the same time, direction finding accuracy is achieved by placing receiving antennas on opposite rotor blades of the helicopter, which increases the measuring base. The ambiguity that arises in this case is eliminated by using the Doppler effect and the autocorrelation processing of the reflected signals, which reduces the phase modulation index.

Тем самым функциональные возможности способа расширены.Thus, the functionality of the method is expanded.

Claims

A method for remote measurement of wind speed and direction, which consists in placing reflectors moving in the region of space of interest, moving under the influence of wind and in proportion to its speed, irradiating the reflectors with an electromagnetic signal and receiving a signal reflecting from them from different ix, where i = 2, 3, ..., receiving angles, measurement of the Doppler shift proportional to wind speed frequency f _dl and true bearing reflector γ _i, calculating wind velocity V _Bi and wind directions α, wherein the region of interest in the spaces a non-settling reflector is placed, the period of amplitude modulation of the signal reflected from it is proportional to the wind speed, the Doppler frequency shift also depends on the cosine of the angle between the line of sight of the reflector and its position when it forms a known angle β in the horizontal plane with the wind direction, and the amplitude of the signal envelope has a maximum value when the line of sight is the direction to wind the angle β, when receiving a signal for each i-th bearing receiving measured amplitude modulation depth m _i ave nyatogo signal and wind speed V _Bi, determine the highest value of the depth of amplitude modulation m _max and the largest value of the wind velocity V _Bmax, if the obtained values m _max and V _Bmax not the same true bearing reflector γ, then repeat the above measurement to their coincidence if the same bearing, the measured wind speed V _Bmax considered true and determine the direction of the wind relative to the northern Geophysics meridian direction according to the formula α = γ-β, wherein the treatment is carried out of the reflected signal the measuring and two direction finding channel, wherein the receiving antennas direction finding channels arranged at the ends of helicopter rotor blades, and the receive antenna of the measuring channel is set on a helicopter rotor hub, in the measuring channel the received complex signal with a combined amplitude and frequency modulation is converted in frequency by using frequency ω _{g of the} local oscillator, isolate the voltage of the intermediate frequency, multiply it with the signals received in direction finding channels and representing these are complex signals with combined amplitude, frequency, and phase modulation; they emit voltages at a stable frequency ω _{g of the} local oscillator; they are complex signals with combined amplitude and phase modulation; they multiply them together; the amplitude-modulated voltage at frequency Ω _is isolated _{in the} reference generator, equal to the rotational speed of the helicopter rotor, and provide an accurate, but ambiguous measurement of the bearing γ _{i of the} reflector, at the same time the voltage of the second direction-finding channel is subjected to autocorrel In the process of processing, the amplitude-modulated voltage at a frequency Ω _{in the} reference generator equal to the rotational speed of the helicopter rotor is isolated, and they provide a coarse, but unambiguous measurement of the bearing γ _{i of the} reflector, the voltage of the intermediate frequency is multiplied with the voltage of the local oscillator, the voltage is a complex signal amplitude and frequency modulation, multiply it with the probe signal of the transmitter, select the amplitude-modulated voltage at the Doppler frequency, provide Merenii amplitude modulation depth m _i and Doppler f _dl.