SU1123397A1 - Способ определени мгновенного значени скорости ветра и структурной посто нной скорости ветра - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к метеорологии и может быть использовано дл  измерени  мгновенного значени  скорости ветра и структурной посто нной ПОЛЯ скорости ветра одновременно, а также дл  измерени  высотного профил  этих параметров.

Известен способ определени  параметров атмосферы, а именно температуры ветра , по которому в атмосферу посылают два лазерных излучени  с параллельными ос ми , перекрывающихс  на заданной высоте, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, принимают возникший акустический импульс и измер ют интервал времени между посылкой лазерного и приемом акустического излучени , по которому суд т об искомом параметре

|ЧЭ

Данным способом измер ютс  лишь СА средние по трассе распространени  значеCJ О VJ ни  абсолютной температуры и горизонтальной скорости ветра. Ими невозможно за один цикл измерений получить профили данных параметров ввиду отсутстви  взаимосв зи измер емого параметра - интегрального времени распространени  акустического излучени  от места возникновени  его в атмосфере до.приемного устройства - с профилем искомого параметра. Данным способом невозможно измер ть и структурную посто нную пол .скорости ветра Cv,  вл ющуюс  одной из важнейших характеристик атмосферы дл  составлени  прогнозов погоды, ввиду отсутстви  одновременных разнесенных в пространстве измерений мгновенной скорости ветра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ определени  мгновенного значени  скорости ветра и структурной посто нной скорости ветра, по которому в исследуемый слой атмосферы посылают три сход щихс  акустических излучени , первое - вертикально вверх, а два других направлени  от него удалены и сход тс  под углами 0° в 90 к первому, проекции второго и третьего направлений в плоскости приема ортогональны между собой. Первое направление излучени  расположено при вершине пр мого угла, образуемого пересечением проекций двух других направлений. Регистрируют акустическое излучение, рассе нное в направлении назад, принима  его из этих направлений, измер ют доплеровский сдвиг частоты каждого из прин тых излучений, по которому .определ ют искомые .

Недостатком данного способа  вл етс  мала  дальность, не превышающа  1 км, ввиду низкой выходной мощности акустических передатчиков, а также потерь на поглощение из-за двойного прохождени  трассы распространени . Кроме того, необходима одновременна  посылка трех излучений, что при большом удалении источников излучени  (300 и 250 м) осуществить затруднительно ,

Целью изобретени   вл етс  увеличение дальности зондировани .

Дл  достижени  поставленной цели в способе определени  мгновенного значени  скорости ветра путем посылки в исследуемый слой атмосферы излучени , приема рассе нного акустического излучени  одновременно из трех направлений, определени  дрплеровского сдвига частот прин тых излучений, по которому определ ют искомые параметры, в исследуемый слой атмосферы посылают одновременно два перекрывающихс  лазерных излучени , оси которых параллельны, а разность, частот равна частоте акустического диапазона, принимают акустическое излучение из трех направлений в точках, равноудаленных от направлени  посылки и направленных к нему под углами Q° 0 90° так, что проекции двух направлений на плоскости приема лежат на пр мой, проход щей через точку посылки, а проекци  третьего направлени  ортогональна этой пр мой,

На фиг.1 изображено расположение передатчика относительно направлений приема; на фиг.2 - устройство, реализующее

способ, где 1,2 -лазерные передатчики, оси излучени  которых параллельны, а диаграммы направленности перекрываютс  в заштрихованной области.. 3,4,5 - остронаправленные антенны акустических приемников, ориентированные под углами 0° 0 90° от оси лазерных передатчиков . R - рассто ние между лазерными передатчиками и акустическими приемниками , 6 - акустические приемники, 7 - устройства предварительной обработки сигналов, 8 - блоки определени  доплеровского сдвига частот, 9 - ЭВМ, 10 - блок определени  разностной частоты лазерных

излучателей. 11 -синхронизатор.

В атмосфере при одновременном распространении двух мощных параллельных монохроматических лазерных излучений с близкими частотами в области их перекрыти  в результате нелинейного взаимодействи  будет генерироватьс  мощное акустическое излучение частоты faK fi - f2. где fi и fa - частоты посылаемых лазерных излучений, направление распространени 

которого перпендикул рно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический.Дл  случа  перестраиваемого С02-лазера с длиной волны 10,6 мкм при мощности лазерных излучений 100 МВт будет генерироватьс 

акустическа  мощносуь 0.2 МВт на единицу длины вдоль оси пучков. Возникша  на дальности I посылки лазерных излучений акустическа  волна, пройд  рассто ние AiA2 R + I tg 0, попадает в поле зрени 

антенн приемников. Излучение, рассе нное под углом 01 в точке А2, наход щейс  .на высоте I. будет регистрироватьс  акустическим приемником. Врем  распространени  акустического излучени , возникшего на

дальности I посылки лазерного излучени , до приемника будет равно

A1/A2+A2 + + Ж

t

Со Со

Р + 1(гд -ь-Ддг

4-sinS(1)

vo

где Со 340 м/с - средн   скорость звука и 0 может быть рассчитано дл  конкретной геометрии зондировани . Таким образом, использу  временное стробирование в приемнике, можно селектировать сигнал, рассе нный на определенной высоте I, и, 5 измерив доплеровский сдвиг прин того с

дальности h , А сигнала, измерить проsln о

екцию вектора скорости ветра на направление gi вдоль биссектрисы угла AiA2n2: Vnl(R) 2 sin (45°4-|) Ввиду симметричного расположени  приемников можно одновременно провести измерени  Vni составл ющей скорости вет ра в точках А2, АЗ и А4, наход щихс  на высоте I и разнесенных друг от друга на рассто нии в двух взаимно ортогональных направлени х г {А2Аз) и t (АзА). Проекции измеренных значений скорости ветра на эти направлени  будут Vn3 sin (45° - I) v.( Vn2 sin(45°-) Vr (r+m) откуда Dr2(m) Vr{r)-Vr(r + m)r Аналогичным образом Vn3-sln(45°-|) Vt(P) Vn4 sin (45° -1) Vt(r+m) Dtt (m) Vt (r) - V, (F + m)f , Dii (m) 2Dtt (rii) + D22 (m). и окончательно будет иметь г ) С,(т)- - 1 расчетна  формула дл  структурной посто нной пол  скорости ветра. Способ осуществл етс  с помощью устройства , приведенного на фиг.2, где 1,2 лазерные передатчики, оси излучени  которых параллельны и ортогональны плоскости приема, а час:тоты излучени  отличаютс  на частоту звукового диапазона, б - акустические приемники, установленные на одинаковом рассто нии от передатчика, направленные под углом 0° 5 90° в сторону от оси передатчика так, что проекции первого и второго направлений на плоскости приема лежат на пр мой, проход щей через точку посылок, а проекци  третьего направлени  ортогональна этой пр мой. Прин тое излучение поступает на входы устройств 3 предварительной обработки сигнала, где происходит его усиление, фильтраци  и стробирование по дальности. Далее сигналы поступает в блоки 7, где определ ютс  доплеровские сдвиги частот прин тых в заданном направлении сигналов относительно частоты возникшего акустического излучени , равной разности частот лазерных излучений, котора  измер етс  в блоке 10. Данные поступают в ЭВМ 9. где определ етс  мгновенное значение Vni составл ющей скорости ветра в направлении gi и Cv, управление работой осуществл етс  синхронизатором 11. Дальность зондировани  можно оценить из следующих соображений. При распространении звуковой волны до точки, в которой происходит рассе ние, акустическое излучение ослабитс  в 1 /(R+ Itg ОЦ раз за счет расходимости цилиндрической волны , и мощность прощедшего излучени  можно записать -2 R+ltge 1о I |A(Ri0,|). R -I-1 tg где а- коэффициент ослаблени  звука. Приемником будет регистрироватьс  рассе нное акустическое излучение, мощность которого можно записать в виде: I- Ч/sine lA(Rl.llg)-gC) (il Множитель в знаменателе учитывает сферическую расходимость рассе нной волны, (7(0s) представл ет сечение рассе ни  звука единичным объемом, определ етс  по формуле O(вs) ,52 К/з cos Bs 2 sin X Ст , Cv - волновое число. s 90° +в- угол рассе ни , dCv - струкурные посто нные пол  температуры и скоости ветра. Максимальна  дальность ондировани  Uax 12,7 км с помощью редложенного способа более чем на пор ок превышает максимальную дальность кустического зондировани  1 км, достигаеую у прототипа.

1123397

Claims (1)

1. (54X57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА И СТРУКТУРНОЙ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ ВЕТРА путем посылки в исследуемый слой атмосферы излучения, приема рассеянного акустического излучения одновре менно из трех направлений, определения допплеровского сдвига частот принятых излучений, по которому определяют искомые параметры, отличающийся тем. что, с целью увеличения дальности зондирования, в исследуемый слой атмосферы посылают одновременно два перекрывающихся лазерных излучения, оси которых параллельны, а разность частот равна частоте акустического диапазона, принимают акустическое излучение из трех направлений в точках, равноудаленных от направления посылки и направленных к нему под углами 0° < Θ < 90° так, что проекции двух направлений на плоскости приёма лежат на прямой, проходящей через точку посылки, а проекция третьего направления ортогональна этой прямой.