RU2602730C1 - Method of measuring wind speed basing on doppler effect - Google Patents

Method of measuring wind speed basing on doppler effect Download PDF

Info

Publication number
RU2602730C1
RU2602730C1 RU2015137342/28A RU2015137342A RU2602730C1 RU 2602730 C1 RU2602730 C1 RU 2602730C1 RU 2015137342/28 A RU2015137342/28 A RU 2015137342/28A RU 2015137342 A RU2015137342 A RU 2015137342A RU 2602730 C1 RU2602730 C1 RU 2602730C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
wind speed
signals
sequence
measurement
Prior art date
Application number
RU2015137342/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Андреевич Калмыков
Андрей Алексеевич Калмыков
Original Assignee
Алексей Андреевич Калмыков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Алексей Андреевич Калмыков filed Critical Алексей Андреевич Калмыков
Priority to RU2015137342/28A priority Critical patent/RU2602730C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2602730C1 publication Critical patent/RU2602730C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology

Landscapes

  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to radio electronic equipment and can be used for remote probing of the atmosphere, particularly measuring speed, direction and turbulence of the wind in the vertical and horizontal section of the atmosphere. Method has the following sequence of actions: generated is radiation frequency of oscillations
Figure 00000024
, which are binary phase-modulated with a pseudorandom sequence with duration T with elementary signal
Figure 00000034
, herewith
Figure 00000035
where N is the discreteness of transmissions of measurement in time, simultaneously generated is a similar signal with frequency
Figure 00000036
, i.e. of type F
Figure 00000032
input reflected signals are in the form by frequency of
Figure 00000037
, and mixed with signals
Figure 00000029
, after which they are restored by a filter synchronously with a N-channel sequence of type 1-N and the results of these operations are assessed as per a preset algorithm, herewith allocated frequencies
Figure 00000038
are proportional to the wind speeds.
EFFECT: technical result is higher accuracy of measurement.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано для дистанционных методов зондирования атмосферы, в частности измерения скорости, направления и турбулентности ветра в вертикально-горизонтальном срезе атмосферы. Также изобретение может быть использовано в гидролокации.The invention relates to electronic equipment and can be used for remote sensing methods of the atmosphere, in particular measuring the speed, direction and turbulence of the wind in a vertical-horizontal section of the atmosphere. Also, the invention can be used in sonar.

Давно известны измерения скорости и направления ветра в атмосфере, см., например, Н.А. Зайцева “Аэрология”, Ленинград, гидрометиоиздат, 1990, стр. 46-42. Здесь используются аэрологические зонды (АРЗ) и наземные радиолокаторы.Measurements of wind speed and direction in the atmosphere have long been known, see, for example, N.A. Zaitseva “Aerology”, Leningrad, hydromethioisdate, 1990, pp. 46-42. Aerological probes (ARZ) and ground-based radars are used here.

Современными методами измерения являются использование спутниковых навигационных радиосистем (СНРС) GPS и ГЛОНАСС, приемники которых расположены на борту АРЗ и передают координаты полета на наземную базовую станцию (РЛС), по изменению которых судят о силе ветра, его направлении и турбулентности, см. патент РФ №2480791.Modern methods of measurement are the use of satellite navigation systems (GPS) GPS and GLONASS, the receivers of which are located on board the ARZ and transmit flight coordinates to the ground base station (radar), by the change of which they judge the strength of the wind, its direction and turbulence, see RF patent No. 2480791.

Эти два способа обладают двумя основными недостатками:These two methods have two main disadvantages:

- требует АРЗ и довольно дорогого приемника СНРС,- requires ARZ and a rather expensive receiver SNRS,

- в условиях очень сильных нисходящих ветровых потоков наблюдаемых в Сибири, Арктике и Антарктике, при которых скорость ветра достигает 300-400 км/час, истинная скорость ветра (с учетом подъемной силы АРЗ) будет измерена с довольно большой ошибкой.- in conditions of very strong descending wind flows observed in Siberia, the Arctic and Antarctic, at which the wind speed reaches 300-400 km / h, the true wind speed (taking into account the lifting force of the ARZ) will be measured with a rather large error.

Общей проблемой измерения истинной скорости ветра, которая необходима для полетов самолетов и вертолетов и при ракетных, в том числе космических, и артиллерийских стрельбах, является удешевление измерений и повышение точности измерений, так, по требованиям аэрокосмической отрасли РФ измерение скорости ветра в горизонтальной и вертикальной плоскостях должно быть не хуже 0,1 м/сек, а ошибка измерения в градусах по азимуту и углу цели не хуже 1° относительно меридиана.A common problem in measuring the true wind speed, which is necessary for flights of planes and helicopters and during rocket, including space, and artillery firing, is the cheapening of measurements and improving the accuracy of measurements, for example, according to the requirements of the aerospace industry of the Russian Federation, measuring wind speed in horizontal and vertical planes should not be worse than 0.1 m / s, and the measurement error in degrees in azimuth and target angle is not worse than 1 ° relative to the meridian.

Известен способ определения скорости ветра, основанный на обнаружении сигналов с известной доплеровской частотой на фоне белого шума с многоканальной структурой для оценки параметров с одного радиолокационного импульса, см. “Известия ВУЗов. Радиоэлектроника”, 2014 г. “О РЕЗУЛЬТАТАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖИТЕЛЯ.” Бычков В.Е., Мрачковский О.Д., Правда В.И.A known method of determining wind speed, based on the detection of signals with a known Doppler frequency against a background of white noise with a multi-channel structure for estimating parameters from a single radar pulse, see “Proceedings of universities. Radioelectronics ”, 2014.“ ON THE RESULTS OF MODELING A MULTI-CHANNEL RADAR DETECTOR. ”Bychkov V.E., Mrachkovsky OD, Pravda V.I.

Недостаток: схемотехническая сложность из-за наличия большого количества каналов, до нескольких десятков, следовательно, и высокая себестоимость.Disadvantage: circuitry complexity due to the presence of a large number of channels, up to several tens, therefore, high cost.

Также известен способ измерения скорости ветра, см. “Научный вестник МГТУ ГА” 2012 г. “ПЕРСПЕКТИВЫ КООРДИНАТНО-ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ.” Г.П. Трифонов.Also known is a method of measuring wind speed, see “Scientific Bulletin of MSTU GA” 2012. “PROSPECTS FOR THE COORDINATE-DOPLER METHOD FOR INCREASING THE ACCURACY OF MEASURING WIND SPEED IN THE ATMOSPHERE.” G.P. Trifonov.

Недостатки: способ требует применения АРЗ и дополнительно к нему уголкового отражателя, прикрепленного к корпусу АРЗ, а также все равно наличия наземной РЛС сопровождения.Disadvantages: the method requires the use of ARZ and in addition to it an angular reflector attached to the housing of the ARZ, as well as the presence of ground-based radar tracking.

Известны метеорологические радиолокационные станции, работающие на эффекте Доплера (далее МРЛ), например, WSR-88D в рамках программы NEXRAD США, см. Р. Довиан, Д. Зрнич, книга “Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения”, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, стр. 10-14, также см. распечатку стр. 13 “Радиолокационный способ измерения скорости ветра”.Known meteorological radar stations operating on the Doppler effect (hereinafter referred to as SID), for example, WSR-88D in the framework of the US NEXRAD program, see R. Dovian, D. Zrnich, book “Doppler radars and meteorological observations”, Leningrad, Gidrometeoizdat, 1988, p. 10-14, also see printout p. 13 “Radar method for measuring wind speed”.

Наиболее близким техническим решением является MP Л Meteor 1500 с также в рамках NEXRAD, в котором передатчик и приемник всегда работает на одном и том же фазовом эталоне как базис высокоточной доплеровской обработки. Этот МРЛ позволяет отслеживать скорость ветра, поворот ветра, турбулентность или сдвиг ветра. Источник информации см. выше.The closest technical solution is the MP L Meteor 1500, also within the NEXRAD framework, in which the transmitter and receiver always work on the same phase reference as the basis for high-precision Doppler processing. This MRL allows you to track wind speed, wind rotation, turbulence or wind shear. Source of information see above.

Недостатки: большая погрешность определения скорости ветра, минимальное разрешение по дальности G2.5M.Disadvantages: a large error in determining wind speed, the minimum range resolution G2.5M.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения при минимальных ГМХ.An object of the invention is to improve the measurement accuracy with minimal GMC.

Технический результат достигается за счет построения измерения на основе фазокодомодулированных сигналов.The technical result is achieved by constructing a measurement based on phase-modulated signals.

Для решения поставленной задачи предлагается.To solve the problem is proposed.

Способ измерения скорости ветра на основе эффекта Доплера с применением фазокодомодулированных сигналов, отличающийся тем, что имеет следующую последовательность действий: вырабатывается частота излучения колебаний

Figure 00000001
, которые бинарно модулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью T с элементарным сигналом
Figure 00000002
, причем
Figure 00000003
где N - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте
Figure 00000004
, т.е. вида
Figure 00000005
, входные отраженные сигналы имеют вид по частоте
Figure 00000006
и смешиваются с сигналами
Figure 00000007
, после чего восстанавливаются фильтром синхронно с N-канальной последовательностью вида 1-N и результаты этих операций оцениваются по заданному алгоритму, причем выделяемые частоты
Figure 00000008
пропорциональны скоростям ветра.A method of measuring wind speed based on the Doppler effect using phase-modulated signals, characterized in that it has the following sequence of actions: an oscillation frequency is generated
Figure 00000001
which are binary phase modulated by a pseudo-random sequence of duration T with an elementary signal
Figure 00000002
, and
Figure 00000003
where N is the discreteness of the measurement bursts in time; at the same time, a similar signal with a frequency offset is generated
Figure 00000004
, i.e. kind of
Figure 00000005
, the input reflected signals have the form of frequency
Figure 00000006
and mixed with signals
Figure 00000007
, after which they are restored by the filter synchronously with an N-channel sequence of the form 1-N and the results of these operations are evaluated according to a given algorithm, and the frequencies allocated
Figure 00000008
proportional to wind speeds.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая данный способ, на которой изображено:The drawing shows a structural diagram of a device that implements this method, which shows:

В - передающий каналB - transmitting channel

С - приемный каналC - receiving channel

Д - обрабатывающий каналD - processing channel

1. генератор тактовой частоты

Figure 00000009
1. clock generator
Figure 00000009

2. генератор псевдослучайной последовательности (ГПП)2. pseudo-random sequence generator (GLP)

3. модулятор3. modulator

4. генератор опорной частоты

Figure 00000010
4. reference frequency generator
Figure 00000010

5. регистр сдвига5. shift register

6. восстановительные фильтры (1…N)6. recovery filters (1 ... N)

7. первый смеситель

Figure 00000011
7. first mixer
Figure 00000011

8. второй смеситель8. second mixer

9. решающее устройство9. solver

10. приемный усилитель10. receiving amplifier

11. передающий усилитель11. transmitting amplifier

12. генератор

Figure 00000012
12. generator
Figure 00000012

А1. излучающая антеннаA1. radiating antenna

А2. приемная антеннаA2. receiving antenna

Электрическая структурная схема по данному способу имеет следующие соединения.The electrical block diagram of this method has the following connections.

Выход генератора тактовой частоты 1 соединен с синхровходами ГПП 2 и регистра сдвига 5.The output of the clock generator 1 is connected to the synchro inputs of the GLP 2 and shift register 5.

Выход ГПП 2 соединен с первым входом модулятором 3 и с сигнальным входом регистра сдвига 5.The output of the GLP 2 is connected to the first input by the modulator 3 and with the signal input of the shift register 5.

Выход генератора 4 опорной частоты

Figure 00000013
соединен с вторым входом модулятора 3 и через первый смеситель 7 с первым входом второго смесителя 8, с вторым входом которого соединен выход усилителя 10, а выход второго сумматора 8 соединен с сигнальными входами восстановительного фильтра 6, с задающими входами которого соединены выходы 1-N регистра 5.The output of the generator 4 reference frequency
Figure 00000013
connected to the second input of the modulator 3 and through the first mixer 7 to the first input of the second mixer 8, with the second input of which the output of the amplifier 10 is connected, and the output of the second adder 8 is connected to the signal inputs of the recovery filter 6, with the input inputs of which the outputs 1-N of the register are connected 5.

Выход генератора 12 соединен с вторым входом первого смесителя 7 и с входами восстановителя фазы 6.The output of the generator 12 is connected to the second input of the first mixer 7 and to the inputs of the phase reducer 6.

Выход восстановительного фильтра 6 соединен с РУ 9, выходы которого являются выходами устройства. Выход модулятора 3 через усилитель 11 нагружен на передающую антенну А1.The output of the recovery filter 6 is connected to the RU 9, the outputs of which are the outputs of the device. The output of the modulator 3 through the amplifier 11 is loaded on the transmitting antenna A1.

Устройство по данному способу работает следующим образом.The device according to this method works as follows.

Передающий канал вырабатывает псевдослучайную последовательность генератором ГПП 2, которая синхронизирована тактовой частотой

Figure 00000014
, эта последовательность поступает на модулятор фазы 3, где модулирует опорную частоту
Figure 00000015
, поступающую на этот модулятор, выход которого через усилитель 11 поступает на излучающую антенну А1, где в виде фазокодомодулированного сигнала (ФКМС 1) излучается в пространство с частотой
Figure 00000016
.The transmitting channel generates a pseudo-random sequence by the generator GPP 2, which is synchronized by the clock frequency
Figure 00000014
, this sequence goes to the phase 3 modulator, where it modulates the reference frequency
Figure 00000015
coming to this modulator, the output of which through the amplifier 11 goes to the radiating antenna A1, where in the form of a phase-modulated signal (FCMS 1) is radiated into space with a frequency
Figure 00000016
.

Приемный канал С принимает через антенну А2 частоту излучения

Figure 00000017
с частотой
Figure 00000018
Figure 00000019
, которая в виде ФКМС 2 через усилитель 10 поступает на вход 2 второго смесителя 8, на первый вход которого поступает частота
Figure 00000020
с выхода первого смесителя 7. Эта результирующая частота с выхода второго смесителя поступает на обрабатывающий канал Д.The receiving channel C receives the radiation frequency through the antenna A2
Figure 00000017
with frequency
Figure 00000018
Figure 00000019
, which in the form of PCMS 2 through the amplifier 10 enters the input 2 of the second mixer 8, the first input of which receives the frequency
Figure 00000020
from the output of the first mixer 7. This resulting frequency from the output of the second mixer is fed to the processing channel D.

Обрабатывающий канал Д включает в себя регистр сдвига 5, N канальный восстановитель фазы 6 и решающее устройство 9 (РУ).The processing channel D includes a shift register 5, N channel phase 6 reducing agent and a resolver 9 (RU).

С генератора ГПП 2 передающего канала В псевдослучайная последовательность поступает на сигнальный вход регистра сдвига 5, синхронизируется частотой

Figure 00000021
и на выходах регистра получаем 1-N последовательно сдвинутых сигналов, которые поступают на первые выходы 1-N восстановителей фазы 6, на вторые входы 1-N которого поступают сигналы с второго смесителя 8. На выходах 1-N восстановителей фазы 6 получаем частоту
Figure 00000022
, которая обрабатывается РУ 9, убирая частоту
Figure 00000023
и выделяя тем самым последовательно 1-N частот Доплера, которые и несут необходимую информацию о скорости ветра.From the generator GPP 2 of the transmitting channel, the pseudo-random sequence arrives at the signal input of the shift register 5, synchronizes with the frequency
Figure 00000021
and at the outputs of the register we get 1-N sequentially shifted signals that go to the first outputs of 1-N phase 6 reducers, the second inputs 1-N of which receive signals from the second mixer 8. At the outputs of 1-N phase 6 reducers we get the frequency
Figure 00000022
, which is processed RU 9, removing the frequency
Figure 00000023
and thereby highlighting sequentially 1-N Doppler frequencies, which carry the necessary information about the wind speed.

Claims (1)

Способ измерения скорости ветра на основе эффекта Доплера с применением фазокодомодулированных сигналов, отличающийся тем, что имеет следующую последовательность действий: вырабатывается частота излучения колебаний
Figure 00000024
, которые бинарно модулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом
Figure 00000025
, причем
Figure 00000003
где N - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте
Figure 00000026
, т.е. вида Ф
Figure 00000027
входные отраженные сигналы имеют вид по частоте
Figure 00000028
и смешиваются с сигналами
Figure 00000029
, после чего восстанавливаются фильтром синхронно с N-канальной последовательностью вида 1-N и результаты этих операций оцениваются по заданному алгоритму, причем выделяемые частоты
Figure 00000030
пропорциональны скоростям ветра.
A method of measuring wind speed based on the Doppler effect using phase-modulated signals, characterized in that it has the following sequence of actions: an oscillation frequency is generated
Figure 00000024
which are binary phase modulated by a pseudo-random sequence of duration T with an elementary signal
Figure 00000025
, and
Figure 00000003
where N is the discreteness of the measurement bursts in time; at the same time, a similar signal with a frequency offset is generated
Figure 00000026
, i.e. type f
Figure 00000027
input reflected signals have a frequency view
Figure 00000028
and mixed with signals
Figure 00000029
, after which they are restored by the filter synchronously with an N-channel sequence of the form 1-N and the results of these operations are evaluated according to a given algorithm, and the frequencies allocated
Figure 00000030
proportional to wind speeds.
RU2015137342/28A 2015-09-01 2015-09-01 Method of measuring wind speed basing on doppler effect RU2602730C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015137342/28A RU2602730C1 (en) 2015-09-01 2015-09-01 Method of measuring wind speed basing on doppler effect

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015137342/28A RU2602730C1 (en) 2015-09-01 2015-09-01 Method of measuring wind speed basing on doppler effect

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2602730C1 true RU2602730C1 (en) 2016-11-20

Family

ID=57760190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015137342/28A RU2602730C1 (en) 2015-09-01 2015-09-01 Method of measuring wind speed basing on doppler effect

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2602730C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6634600B2 (en) * 2000-08-02 2003-10-21 Alcatel Satellite constellation for measuring atmospheric wind speeds using doppler lidar
RU121379U1 (en) * 2012-02-17 2012-10-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" DEVICE FOR REMOTE WIND SPEED MEASUREMENT
RU2468387C1 (en) * 2011-05-06 2012-11-27 Государственное Учреждение "Арктический и антарктический научно-исследовательский институт" Device for measuring vertical component of wind velocity for detecting wind shift
CN104345319A (en) * 2014-10-12 2015-02-11 中国海洋大学 Error correction method of wind speed by incoherent Doppler laser radar

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6634600B2 (en) * 2000-08-02 2003-10-21 Alcatel Satellite constellation for measuring atmospheric wind speeds using doppler lidar
RU2468387C1 (en) * 2011-05-06 2012-11-27 Государственное Учреждение "Арктический и антарктический научно-исследовательский институт" Device for measuring vertical component of wind velocity for detecting wind shift
RU121379U1 (en) * 2012-02-17 2012-10-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" DEVICE FOR REMOTE WIND SPEED MEASUREMENT
CN104345319A (en) * 2014-10-12 2015-02-11 中国海洋大学 Error correction method of wind speed by incoherent Doppler laser radar

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US2837738A (en) Passive range measuring device
CN114706063A (en) Method in a radar system, radar system or arrangement of radar systems
US20110273324A1 (en) Continuous high-accuracy locating method and apparatus
CN104076362B (en) A kind of railroad train runs security radar
EP3234637A1 (en) Short-ragne obstacle detection radar using stepped frequency pulse train
RU2496120C2 (en) Multifunctional multirange scalable radar system for aircraft
CN110988862A (en) Sensing method and system based on ultra-close distance millimeter wave radar
KR101785684B1 (en) External calibration method of scatterometer system for ocean parameters monitoring using internal time delay
CN103900616A (en) Tacan simulator metering method and Tacan simulator metering device
CN103954937B (en) A kind of wide region High-precision Microwave range radar design method
RU2626380C1 (en) Selection system of moving targets with measurement of range, radial velocity and direction of motion
RU2679597C1 (en) Pulse-doppler airborne radar station operating method during detecting of air target - carrier of radio intelligence and active interference stations
CN107765239A (en) A kind of design and implementation method of economical short distance range radar
RU2562614C1 (en) Method of simulating radar targets
RU2429990C1 (en) Multifunction high-resolution radar with active phase-aerial for manned aircraft and drones
RU2540982C1 (en) Method of determining coordinates of targets (versions) and system therefor (versions)
RU2525343C1 (en) Method for simultaneous determination of six motion parameters of spacecraft when making trajectory measurements and system for realising said method
RU2696274C1 (en) Small-size multi-mode on-board radar system for equipping promising unmanned and helicopter systems
RU2602730C1 (en) Method of measuring wind speed basing on doppler effect
RU2602274C1 (en) Radar method and device for remote measurement of full velocity vector of meteorological object
RU2510685C2 (en) Synthetic-aperture and quasicontinuous radiation radar station
US2891246A (en) Beacon system
JP2008008843A (en) Radio wave altitude and velocity measuring device and altitude and velocity measuring technique using radio wave
RU2539334C1 (en) System for electronic jamming of radio communication system
Pascual et al. The microwave interferometric reflectometer. Part II: Back-end and processor descriptions

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180902