RU85001U1

RU85001U1 - DOPPLER ACOUSTIC LOCATOR FOR MONITORING THE WIND FIELD AND TURBULENCE IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

Info

Publication number: RU85001U1
Application number: RU2009106851/22U
Authority: RU
Inventors: Ростислав Дмитриевич Кузнецов; Маргарита Александровна Каллистратова; Сергей Николаевич Куличков
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2009-07-20

Abstract

1. Допплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, содержащий три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи, соединенные через приемопередающее устройство, устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей, причем одна из антенн установлена вертикально, а две другие установлены с угловым наклоном относительно оси первой антенны, устройство управления и статистической обработки сигналов выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея, отличающийся тем, что приемопередающее устройство выполнено трехканальным с одинаковым диапазоном звуковых частот в каждом канале, каждый канал приемопередающего устройства содержит стереофоническую звуковую карту, а также интегральный усилитель мощности зондирующих импульсов и дифференциальный микрофонный усилитель эхосигналов, соединенные соответственно по линейным входу и выходу с электроакустическим преобразователем соответствующей параболической антенны, сигнальный и управляющий вход интегрального усилителя мощности соединен соответственно с сигнальным и управляющим выходом звуковой карты, линейный вход которой соединен с выходом дифференциального микрофонного усилителя, а цифровой вход/выход звуковой карты - с ЭВМ, выполненной с возможностью генерации многочастотных зондирующих импульсов в цифровой форме, причем звуковая карта, усилитель мощности и мик1. Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer, containing three parabolic antennas, in the focus of which are installed electro-acoustic transducers connected through a transceiver device, a control device and statistical processing of sound echo signals with a device for displaying wind field and atmospheric turbulence parameters, moreover, one of the antennas is installed vertically, and the other two are installed with an angular inclination relative to the axis of the first ant data, the control and statistical signal processing device is made in the form of a computer with a memory unit for control and statistical signal processing programs, and the display device is in the form of a display, characterized in that the transceiver is made of three channels with the same range of audio frequencies in each channel, each channel of the transceiver The device contains a stereo sound card, as well as an integrated amplifier of sounding pulse power and a differential microphone amplifier of echo signals, Imposed to linear input and output with the electro-acoustic transducer of the corresponding parabolic antenna, the signal and control input of the integrated power amplifier is connected respectively to the signal and control output of the sound card, the linear input of which is connected to the output of the differential microphone amplifier, and the digital input / output of the sound card is connected to A computer configured to generate multi-frequency probe pulses in digital form, moreover, a sound card, a power amplifier and a mic

Description

Полезная модель относится к метеорологии, конкретно к доплеровским акустическим локаторам для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое.The utility model relates to meteorology, specifically to Doppler acoustic locators for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer.

Известен доплеровский акустический локатор (US 4573352, МПК: G01W 1/00, 1986) для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, содержащий три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи, соединенные через приемопередающее устройство, устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей, причем одна из антенн установлена вертикально, а две другие установлены с угловым наклоном относительно оси первой антенны, устройство управления и статистической обработки сигналов выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея. При этом приемо-передающее устройство выполнено одноканальным полностью аналоговым, включая задающий генератор электрических сигналов звуковых частот. Для последовательного во времени подключения к электроакустическим преобразователям различных параболических антенн локатор снабжен электромеханическим антенным переключателем.Known Doppler acoustic locator (US 4573352, IPC: G01W 1/00, 1986) for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer, containing three parabolic antennas, in the focus of which are installed electro-acoustic transducers connected through a transceiver device, a control and statistical processing device sound echoes with a device for displaying wind field parameters and atmospheric turbulence, one of the antennas being installed vertically and the other two are installed with an angular inclination of in relative axis of the first antenna control and statistical signal processing device is a computer with a memory unit control programs and statistical signal processing and display device - in the form of a display. In this case, the transceiver is made single-channel fully analog, including a master generator of electrical signals of sound frequencies. For the serial connection of various parabolic antennas to the electro-acoustic transducers, the locator is equipped with an electromechanical antenna switch.

Недостатком известного доплеровского акустического локатора является недостаточная надежность, связанная с относительно низкой надежностью аналоговых и электромеханических элементов.A disadvantage of the known Doppler acoustic locator is the lack of reliability associated with the relatively low reliability of analog and electromechanical elements.

Технической задачей полезной модели является повышение надежности доплеровского акустического локатора для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое.The technical task of the utility model is to increase the reliability of the Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer.

Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является уменьшения количества малонадежных аналоговых элементов в локаторе с одновременным улучшением качества его измерений.The technical result that provides the solution to this problem is to reduce the number of unreliable analog elements in the locator while improving the quality of its measurements.

Достижение заявленного технического результата, и как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, содержащий три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи, соединенные через приемопередающее устройство, устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей, причем одна из антенн установлена вертикально, а две другие установлены с угловым наклоном относительно оси первой антенны, устройство управления и статистической обработки сигналов выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея, согласно полезной модели приемопередающее устройство выполнено трехканальным с одинаковым диапазоном звуковых частот в каждом канале, каждый канал приемопередающего устройства содержит стереофоническую звуковую карту, а также интегральный усилитель мощности зондирующих импульсов и дифференциальный микрофонный усилитель эхосигналов, соединенные соответственно по линейным входу и выходу с электроакустическим преобразователем соответствующей параболической антенны, сигнальный и управляющий вход интегрального усилителя мощности соединен соответственно с сигнальным и управляющим выходом звуковой карты, линейный вход которой соединен с выходом дифференциального микрофонного усилителя, а цифровой вход/выход звуковой карты - с ЭВМ, выполненной с возможностью генерации многочастотных зондирующих импульсов в цифровой форме, причем звуковая карта, усилитель мощности и микрофонный усилитель приемопередатчика выполнены с полосой пропускания, не меньшей диапазона генерируемых звуковых частот зондирующих импульсов.The achievement of the claimed technical result, and as a result, the solution of the problem is ensured by the fact that the Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer, containing three parabolic antennas, in the focus of which are installed electro-acoustic transducers connected through a transceiver device, a control device and statistical processing of sound echo signals with a device for displaying wind field parameters and atmospheric turbulence, One of the antennas is mounted vertically, and the other two are installed with an angular inclination relative to the axis of the first antenna, the control and statistical signal processing device is made in the form of a computer with a memory unit for control and statistical signal processing programs, and the display device is in the form of a display, according to the utility model the transceiver device is made three-channel with the same range of sound frequencies in each channel, each channel of the transceiver device contains a stereo sound card, and that also the integrated power amplifier of the probe pulses and the differential microphone amplifier of the echo signals, respectively connected via a linear input and output to the electro-acoustic transducer of the corresponding parabolic antenna, the signal and control input of the integrated power amplifier is connected respectively to the signal and control output of the sound card, the linear input of which is connected to the output of the differential microphone amplifier, and the digital input / output of a sound card - with a computer made with possible the ability to generate multi-frequency probe pulses in digital form, moreover, the sound card, power amplifier and microphone amplifier of the transceiver are made with a passband not less than the range of the generated sound frequencies of the probe pulses.

При этом интегральный усилитель мощности выполнен на базе интегрального усилителя мощности звуковой частоты с выходным каскадом на полевых транзисторах и с возможностью электронного управления питанием выходного каскада. Дифференциальный микрофонный усилитель выполнен малошумящим с малым входным сопротивлением и защитой перенапряжения по входу. Блок памяти программ управления и статистической обработки сигналов содержит программу цифровой генерации многочастотных зондирующих импульсов звуковой частоты, программу цифровой фильтрации эхосигналов и измерения допплеровских сдвигов частот эхосигналов относительно центральной частоты зондирования по каждому зондирующему импульсу в отдельности, программу спектрального Фурье - преобразования сигнальной и шумовой полосы частот эхосигналов в амплитудно-импульсные сигналы и программу определения рациональных параметров поля ветра и турбулентностей атмосферы и их распределения по высоте в зоне ответственности акустического локатора по критерию максимума интенсивности полезного сигнала на фоне помех.In this case, the integrated power amplifier is based on an integrated audio power amplifier with an output stage on field-effect transistors and with the possibility of electronic control of the power supply of the output stage. The differential microphone amplifier is made low-noise with low input impedance and input overvoltage protection. The memory block of the control and statistical signal processing programs contains a program for digitally generating multi-frequency probing pulses of sound frequency, a program for digital filtering of echo signals and measuring Doppler frequency shifts of echo signals relative to the central sounding frequency for each probe pulse separately, a program of spectral Fourier transforms the signal and noise frequency bands of echo signals in pulse-amplitude signals and a program for determining rational field parameters in tra and turbulent atmosphere, and their distribution over the height of the zone of responsibility of the acoustic locator on the criterion of maximum intensity of the useful signal to noise background.

Выполнение приемопередающего устройства трехканальным позволяет исключить малонадежный электромеханический антенный переключатель и, тем самым повысить надежность работы локатора. Снабжение каналов приемопередающего устройства стереофонической звуковой картой, а также интегральным усилителем мощности многочастотных зондирующих импульсов и дифференциальным микрофонным усилителем эхосигналов и соответствующее их соединение с ЭВМ позволяет исключить необходимость использования сложного аналогового задающего генератора и возложить функцию генерации задающих сигналов зондирования на ЭВМ. При этом обеспечивается возможность генерации сложных многочастотных сигналов зондирования, позволяющих дополнительно повысить точность измерений абсолютных и производных значений скорости ветра параметров турбулентности и, как следствие, повысить качество мониторинга приземных слоев атмосферы.The implementation of the three-channel transceiver device eliminates the unreliable electromechanical antenna switch and, thereby, increase the reliability of the locator. Providing the channels of the transceiver with a stereo sound card, as well as with an integrated power amplifier of multi-frequency probe pulses and a differential microphone amplifier of echo signals and their corresponding connection with a computer, eliminates the need to use a complex analog driving generator and assign the function of generating sounding driving signals to a computer. At the same time, it is possible to generate complex multi-frequency sounding signals, which can further improve the accuracy of measurements of the absolute and derivative values of the wind speed of turbulence parameters and, as a result, improve the quality of monitoring the surface layers of the atmosphere.

На фиг.1 представлена функциональная схема допплеровского акустического локатора для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, на фиг.2 - пример эхограммы измерений и рассчитанных по ним профилей скорости и направления ветра.Figure 1 presents the functional diagram of the Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer, figure 2 is an example of an echogram of measurements and calculated profiles of wind speed and direction.

Доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое содержит три параболические антенны 1, 2, 3 с электроакустическими преобразователями 4, соединенные через трехканальное приемопередающее устройство 5 и устройство 6 управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством 7 отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей. Одна из антенн, например, 1 установлена вертикально, а две другие 2, 3 - с угловым наклоном относительно оси первой антенны 1. и соединены с соответствующими каналами приемопередатчика 5. Электроакустические преобразователи 4 антенн 1, 2, 3 соединены соответственно с каналами 5.1, 5.2, 5.3 приемопередающего устройства 5. Каналы 5.1, 5.2, 5,3 выполнены с одинаковым по ширине спектром звуковых частот. Каждый канал приемопередающего устройства 5 содержит стереофоническую звуковую карту 8, а также интегральный усилитель 9 мощности многочастотных зондирующих импульсов и дифференциальный микрофонный усилитель 10 эхосигналов. Интегральный усилитель 9 мощности выполнен на базе интегрального усилителя мощности звуковой частоты с выходным каскадом на полевых транзисторах и с возможностью электронного управления питанием его выходного каскада по сигнальной линии связи 11 с помощью импульсных сигналов с управляющего выхода звуковой карты 8. Линейный выход усилителя 9 соединен по усиленному зондирующему сигналу с электроакустическим преобразователем 4 своей антенны 1-3, а линейный вход - с аналоговым сигнальным выходом 12 звуковой карты 8. Сигнальный вход 13 карты 8 соединен с электроакустическим преобразователем 4 своей антенны 1-3 через дифференциальный микрофонный усилитель 10. Усилитель 10 выполнен малошумящим с малым входным сопротивлением и защитой по входу от перенапряжения. Цифровой вход/выход звуковой карты 8 соединен с устройством 6 управления и статистической обработки сигналов. Устройство 6 выполнено в виде ЭВМ на базе промышленного компьютера, а устройство 7 - в виде дисплея. ЭВМ устройства 6 выполнено по стандартной схеме промышленного компьютера с операционной системой GNU/Linux и снабжено блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов (на фигурах не показано). ЭВМ выполнена с возможностью генерации многочастотных зондирующих импульсов в цифровой форме и содержит цифровой модуль задающего многочастотного генератора, снабженный разъемом для его установки на плате расширения компьютера и/или программу генерации многочастотных звуковых сигналов, введенную в блок памяти программ управления ЭВМ. В последнем случае блок памяти программ управления и статистической обработки сигналов содержит программу цифровой генерации многочастотных зондирующих импульсов звуковой частоты одновременно для всех передающих каналов приемопередатчика, программу цифровой фильтрации эхосигналов и измерения допплеровских сдвигов частот эхосигналов относительно центральной частоты зондирования по каждому зондирующему импульсу в отдельности, программу спектрального Фурье - преобразования сигнальной и шумовой полосы частот эхосигналов в амплитудно-импульсные сигналы и программу определения рациональных параметров поля ветра и турбулентностей атмосферы и их распределения по высоте в зоне ответственности акустического локатора по критерию максимума интенсивности полезного сигнала на фоне помех.The Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer contains three parabolic antennas 1, 2, 3 with electro-acoustic transducers 4 connected through a three-channel transceiver 5 and the device 6 for controlling and statistical processing of sound echo signals with a device 7 for displaying wind field parameters and atmospheric turbulence. One of the antennas, for example, 1 is mounted vertically, and the other two 2, 3 with an angular inclination relative to the axis of the first antenna 1. and connected to the corresponding channels of the transceiver 5. Electro-acoustic transducers 4 of the antennas 1, 2, 3 are connected respectively to channels 5.1, 5.2 , 5.3 transceiver device 5. Channels 5.1, 5.2, 5.3 are made with the same width of the spectrum of sound frequencies. Each channel of the transceiver 5 contains a stereo sound card 8, as well as an integrated power amplifier 9 of the multi-frequency probe pulses and a differential microphone amplifier 10 of the echo signals. The integrated power amplifier 9 is made on the basis of an audio frequency integrated power amplifier with an output stage on field effect transistors and with the possibility of electronic control of the power of its output stage via a signal line 11 using pulse signals from the control output of the sound card 8. The linear output of the amplifier 9 is connected via amplified a probing signal with an electro-acoustic transducer 4 of its antenna 1-3, and the linear input with an analog signal output 12 of the sound card 8. Signal input 13 of the card 8 with It is single with the electro-acoustic transducer 4 of its antenna 1-3 through a differential microphone amplifier 10. The amplifier 10 is made low-noise with low input impedance and input protection against overvoltage. The digital input / output of the sound card 8 is connected to the device 6 control and statistical signal processing. The device 6 is made in the form of a computer based on an industrial computer, and the device 7 is in the form of a display. The computer device 6 is made according to the standard scheme of an industrial computer with the GNU / Linux operating system and is equipped with a memory block for control and statistical signal processing programs (not shown in the figures). The computer is configured to generate multi-frequency sounding pulses in digital form and contains a digital module of the master multi-frequency generator, equipped with a connector for its installation on the computer expansion card and / or a program for generating multi-frequency sound signals entered into the memory of the computer control program. In the latter case, the memory block of the control and statistical signal processing programs contains a program for digitally generating multi-frequency sounding pulse probes simultaneously for all transmitting channels of the transceiver, a program for digital filtering of echo signals and measuring Doppler frequency shifts of echo signals relative to the central sounding frequency for each sounding pulse separately, a spectral program Fourier transforms the signal and noise frequency bands of echo signals into amplitudes bottom-pulse signals and determination program rational parameters of the wind field and the turbulence of the atmosphere and their distribution over the height in the area of responsibility of an acoustic locator according to the criterion of the desired signal intensity at the peak background noise.

Доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое работает следующим образом.The Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer works as follows.

По заданной программе ЭВМ 6 генерирует в цифровой форме многочастотный зондирующий сигнал с требуемым для измерений периодом посылок. Этот цифровой многочастотный сигнал поступает с заданной временной задержкой на цифровые входы звуковых карт 8 каналов 5.1, 5.2, 5.3, преобразуется в аналоговые сигнал и по линии 12 подаются на усилитель 9 мощности. Одновременно на усилитель 9 по линии 11 связи выдается управляющий импульсный сигнал для включения электропитания на его выходной каскад на время усиления электрического многочастотного зондирующего импульса, поступившего на его вход. Усиленный многочастотный сигнал далее подается на электроакустические преобразователи 4 соответствующих антенн 1, 2, 3, преобразуются в многочастотные звуковые волны и излучаются сериями импульсов в пространство в различных угловых направлениях, соответствующих направлениям осей антенн 1, 2, 3. Многократно отраженные от неоднородностей плотности атмосферы эхосигналы разлучных частот и с доплеровским сдвигом, величина которого зависит от скорости ветра, принимаются антеннами 1, 2, 3 в период между зондирующими импульсами. Эти звуковые сигналы преобразуются электроакустическим преобразователем 4 в электрический сигнал звуковой частоты с расширенным спектром частот и подаются па дифференциальный микрофонный усилитель 10. Далее усиленные усилителем 10 электрические сигналы звуковой частоты поступают на линейный вход звуковой карты 8. В карте 8 аналоговый эхосигнал преобразуется в цифровую форму и подается на вход устройства 6 управления и статистической обработки звуковых эхосигаалов. Опрос антенн 1-3, первичная обработка эхо-сигнала, осреднение данных, а также графическое отображение результатов измерений осуществляется отдельными программами. Параметры работы локатора задаются при помощи текстовых конфигурационных файлов. Кроме специально созданного программного обеспечения, в работе локатора широко используются стандартные средства системы GNU и другие свободно распространяемые программы. В локаторе реализован алгоритм, который осуществляет анализ эхо-сигнала от каждого зондирующего импульса и с каждого углового направления приема в отдельности, что позволяет получать данные с максимальным разрешением по времени и угловым направлениям. Для каждого высотного интервала определяются три величины: интенсивность сигнала с шумом, интенсивность шума (в дБ), а также лучевая компонента ветра по частоте принятого сигнала , где с - скорость звука, а f₀ - частота зондирующего импульса. На основании этих данных затем определяются компоненты скорости ветра и их дисперсии. На каждом высотном интервале рассчитывается Фурье-спектр мощности эхо-сигнала, дополненной нулями до числа отсчетов равного степени двойки так, чтобы общее число отсчетов увеличилось в несколько раз. Обработка спектров выполняется последовательно от нижних уровней к верхним. Доплеровская частота оценивается в два этапа. Первичная оценка для нижнего высотного интервала получается как центр масс спектра в интервале ±10 м/с вокруг частоты f антенн 1-3. (Далее частоты оцениваются в единицах лучевой скорости.) Для последующих высотных интервалов центр масс рассчитывается в интервале ±3 м/с вокруг последней надежной оценки. Окончательно лучевая скорость вычисляется как центр масс спектра в «сигнальной» полосе ±1,5 м/с вокруг первичной оценки, а интенсивность сигнала - как средняя мощность в такой же полосе вокруг окончательной оценки. Интенсивность шума оценивается как средняя мощность в двух полосах шириной 6 м/с прилегающих к сигнальной полосе. Оценка доплеровской частоты считается надежной, если интенсивность в сигнальной полосе превышает интенсивность шума не менее чем на 4,5 дБ. Такой алгоритм обеспечивает большую помехоустойчивость по сравнению с простым вычислением центра масс спектра. Работа алгоритма проиллюстрирована ниже на примере эхо-сигнал, полученного на наклонной антенне (зенитный угол 30°), при несущей частоте 1700 Гц и длительности импульса τ=100 мс. При этом разрешение по дальности составляет Δh=cτ/2=17 м, а доплеровская чувствительность Δf/V_R=10 Гц/(м/с). Спектры, соответствующие различным высотным интервалам показаны на фиг.2. Полоса предварительного поиска обозначена жирной линией, а сигнальная полоса зачернена. В верхней части фиг.2 представлены спектры эхо-сигнала от единичного зондирующего импульса принятого наклонной антенной с последовательных высотных интервалов. На графиках указаны измеренная частота сигнала в герцах, интенсивности сигнала + шум (S) и отдельно шума (N) в децибелах, а также нижняя граница высотного интервала в метрах. Средние профили ветра и эффективности рассеяния рассчитываются на основе данных серии зондирования. Для осреднения используются данные с соотношением сигнал/шум, превышающем определенное значение, которое выбирается в зависимости от конкретной задачи. На верхнем графике изображена «отражаемость» (интенсивность эхо-сигвала с поправкой на сферическую расходимость зондирующего импульса), а на нижнем - серия профилей скорости и направления ветра. Похожие диаграммы можно просматривать в реальном времени как непосредственно на экране управляющего компьютера, так и удаленно при использовании GPS линии связи.According to a given program, the computer 6 generates a digital multi-frequency sounding signal with the required period of measurements for measurements. This digital multi-frequency signal arrives with a predetermined time delay on the digital inputs of the sound cards of 8 channels 5.1, 5.2, 5.3, is converted into an analog signal and, via line 12, are supplied to the power amplifier 9. At the same time, a control pulse signal is issued to the amplifier 9 via the communication line 11 to turn on the power supply to its output stage for the amplification time of the electric multi-frequency probe pulse received at its input. The amplified multi-frequency signal is then fed to the electro-acoustic transducers 4 of the corresponding antennas 1, 2, 3, converted into multi-frequency sound waves and emitted by a series of pulses into space in different angular directions corresponding to the directions of the axes of the antennas 1, 2, 3. Echoes repeatedly reflected from inhomogeneities of the atmospheric density separation frequencies and with a Doppler shift, the magnitude of which depends on the wind speed, are received by antennas 1, 2, 3 in the period between the probe pulses. These sound signals are converted by an electro-acoustic transducer 4 into an extended-frequency audio sound signal and fed to a differential microphone amplifier 10. Then, sound-frequency electric signals amplified by amplifier 10 are fed to the line input of sound card 8. In card 8, the analog echo signal is converted to digital form and fed to the input of the device 6 control and statistical processing of sound echosigal. Poll antennas 1-3, the primary processing of the echo signal, averaging data, as well as a graphical display of the measurement results is carried out by separate programs. Locator operation parameters are set using text configuration files. In addition to specially created software, the GNU system tools and other freely distributed programs are widely used in the locator. The locator implements an algorithm that analyzes the echo signal from each probe pulse and from each angular direction of reception separately, which allows obtaining data with the maximum resolution in time and angular directions. For each altitude interval, three values are determined: the signal intensity with noise, the noise intensity (in dB), and the beam component of the wind according to the frequency of the received signal where c is the speed of sound, and f ₀ is the frequency of the probe pulse. Based on these data, the components of the wind speed and their dispersion are then determined. At each altitude interval, the Fourier spectrum of the echo signal power is added, supplemented with zeros to the number of samples of the same power of two so that the total number of samples increases several times. Spectra are processed sequentially from lower to upper levels. Doppler frequency is estimated in two stages. The initial estimate for the lower altitude range is obtained as the center of mass of the spectrum in the range of ± 10 m / s around the frequency f of antennas 1-3. (The frequencies are then estimated in radial velocity units.) For subsequent altitude intervals, the center of mass is calculated in the range of ± 3 m / s around the last reliable estimate. Finally, the radial velocity is calculated as the center of mass of the spectrum in the “signal” band ± 1.5 m / s around the initial estimate, and the signal intensity is calculated as the average power in the same band around the final estimate. The noise intensity is estimated as the average power in two bands with a width of 6 m / s adjacent to the signal strip. An estimate of the Doppler frequency is considered reliable if the intensity in the signal band exceeds the noise intensity by at least 4.5 dB. Such an algorithm provides greater noise immunity compared to a simple calculation of the center of mass of the spectrum. The operation of the algorithm is illustrated below by the example of an echo signal obtained on an inclined antenna (zenith angle of 30 °), at a carrier frequency of 1700 Hz and a pulse duration of τ = 100 ms. In this case, the range resolution is Δh = cτ / 2 = 17 m, and the Doppler sensitivity Δf / V _R = 10 Hz / (m / s). Spectra corresponding to different altitude intervals are shown in FIG. The pre-search bar is indicated by a bold line, and the signal bar is blacked out. The upper part of figure 2 presents the spectra of the echo signal from a single probe pulse received by an inclined antenna from successive altitude intervals. The graphs show the measured signal frequency in Hertz, signal intensity + noise (S) and separately noise (N) in decibels, as well as the lower limit of the altitude interval in meters. Average wind and scatter profiles are calculated from sounding series data. For averaging, data with a signal-to-noise ratio exceeding a certain value, which is selected depending on a specific task, is used. The upper graph shows “reflectivity” (the echo-signal intensity adjusted for the spherical divergence of the probe pulse), and the lower graph shows a series of wind velocity and direction profiles. Similar diagrams can be viewed in real time both directly on the screen of the control computer, and remotely when using a GPS communication line.

Доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое разработан на уровне технического предложения, программного обеспечения измерений и опытного образца. Испытания опытного образца показали реализуемость и промышленную применимость полезной модели, а также показали достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи.The Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer is developed at the level of technical proposal, measurement software and prototype. Tests of the prototype showed the feasibility and industrial applicability of the utility model, and also showed the achievement of the claimed technical result and the solution of the problem.

Claims

1. Doppler acoustic locator for monitoring the wind field and turbulence in the atmospheric boundary layer, containing three parabolic antennas, in the focus of which are installed electro-acoustic transducers connected through a transceiver device, a control device and statistical processing of sound echo signals with a device for displaying wind field and atmospheric turbulence parameters, moreover, one of the antennas is installed vertically, and the other two are installed with an angular inclination relative to the axis of the first ant data, the control and statistical signal processing device is made in the form of a computer with a memory unit for control and statistical signal processing programs, and the display device is in the form of a display, characterized in that the transceiver is made of three channels with the same range of audio frequencies in each channel, each channel of the transceiver The device contains a stereo sound card, as well as an integrated amplifier of sounding pulse power and a differential microphone amplifier of echo signals, Imposed to linear input and output with the electro-acoustic transducer of the corresponding parabolic antenna, the signal and control input of the integrated power amplifier is connected respectively to the signal and control output of the sound card, the linear input of which is connected to the output of the differential microphone amplifier, and the digital input / output of the sound card is connected to A computer configured to generate multi-frequency probe pulses in digital form, moreover, a sound card, a power amplifier and a mic The microphone amplifier of the transceiver is made with a passband not less than the range of the generated sound frequencies of the probe pulses.

2. The Doppler acoustic locator according to claim 1, characterized in that the integrated power amplifier is based on an integrated audio power amplifier with an output stage on field effect transistors and with the possibility of electronic control of the power supply of the output stage.

3. The Doppler acoustic locator according to claim 1, characterized in that the differential microphone amplifier is made low-noise with low input impedance and input overvoltage protection.

4. The Doppler acoustic locator according to claim 1, characterized in that the computer, configured to generate multi-frequency probing pulses in digital form, contains a digital module of the master multi-frequency generator, equipped with a connector for installing it on the expansion card of the computer and / or a program for generating multi-frequency sound signals entered into the computer memory.

5. The Doppler acoustic locator according to claim 1, characterized in that the memory unit of the control and statistical signal processing programs comprises a program for digitally generating multi-frequency sounding pulse pulses, a digital filtering program for echo signals and measuring Doppler frequency shifts of echo signals relative to the center sounding frequency for each sounding pulse separately, the program of spectral Fourier transform of the signal and noise frequency band of echo signals into amplitude-pulse signals and a program for determining the rational parameters of the wind field and atmospheric turbulence and their height distribution in the zone of responsibility of the acoustic locator according to the criterion of the maximum intensity of the useful signal against the background of interference.