RU2196345C2 - Способ радиоакустического зондирования атмосферы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к метеорологии, а именно к способам определения параметров пограничного слоя атмосферы, и может быть использовано для определения индекса преломления атмосферы на приземной трассе прохождения электромагнитных волн. В способе излучают акустический пакет, состоящий из импульсов длительностью τ_s0 с частотой повторения F_s0, τ_s0<1МF_s0, облучают пакет электромагнитными посылками длительностью τ_s0, в спектре которых имеются частоты mF_s0, где m=1,2,... М, причем частота F_e0 связана с частотой F_s0 соотношениями λ_s = λ_e/2, где - С_e/F_e0; С_е - скорость света; λ_s=C_s/F_s0;

- скорость звука в воздухе при температуре Т, лежащей в заданном интервале, принимают эхо-сигналы на частотах, близких к mF_a0, измеряют значения частот доплеровских смещений F_Д1, F_д2..., F_ДМ для различных дальностей и разность фаз сигналов на разных доплеровских частотах. По разности фаз определяют профиль влажности для всего расстояния зондирования, по частотам доплеровских смещений с учетом значений влажности находят высотный профиль температуры, измеряют приземное значение давления и вычисляют высотный профиль индекса преломления воздуха. Достигаемым техническим результатом является повышение точности измерения. 3 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к метеорологии, а именно к способам определения параметров пограничного слоя атмосферы, и может быть использовано для определения индекса преломления атмосферы на приземной трассе прохождения электромагнитных волн.

Коэффициент n преломления радиоволн в земной атмосфере записывают через индекс преломления N в виде [1. Справочник по радиолокации. Т.1. Основы радиолокации. Пер. с англ под ред. Я.С. Ицхоки. - М.: Сов. радио. 1976. 456 с. Radar Handbook. Editor-ln-Chief Merrill I. Skolnik. McGraw-Hill Book Company 1970.]
n=1+N•10⁶,
где N=K₁p/T+K₂e/T² (1)
где Т - температура в Кельвинах, р - полное атмосферное давление в мбар, е - парциальное давление водяного пара, K₁=77,6 К/мбар, К₂=3,73•10⁵ К²/мбар. Погрешность определения N по формуле (3) не более 0,5% для частот f≤30 ГГц при обычно встречающихся интервалах изменений давления, температуры и влажности.

Известен способ определения значений и градиентов N, который состоит в том, что на разной высоте метеобашни устанавливают приборы для измерения температуры и влажности; давление измеряют барометром, например чашечным, на небольшой высоте (2 м). Проводят многократные измерения с помощью указанных приборов и вычисляют, используя барометрическую формулу и уравнение (1), среднестатистическое значение индекса рефракции для данной местности. [2. Рукина А. Н. Исследование показателя преломления воздуха в нижнем 300-метровом слое атмосферы в районе Калужской области. Препринт 85. М.: ИРЭ АН СССР. - 1972. 18 с.]
В слоях атмосферы толщиной до 2000 м используют барометрическую формулу Бабине [3. Иоффе М.М., Приходько М.П. Справочник авиационного метеоролога. - М.: Воениздат МО СССР, 1977. 303 с. С. 15.]

где p_{1, 2} - давление, мбар; t_m - средняя температура слоя воздуха, ^oC.

Известен способ определения значений N, который состоит в том, что внутри контейнера устанавливают приборы для измерения температуры, влажности и давления, запускают контейнер с помощью воздушного шара и осуществляют передачу на Землю показаний приборов с помощью радиопередатчика. Такие измерения называются радиозондовыми. Общая погрешность такого определения в большей степени обусловлена ошибками метеорологических датчиков, нежели неточностью значений коэффициентов K₁, K₂ в формуле (1). Так, при погрешностях измерений ΔР=±2 мбар, ΔТ=±1 К, Δе=±5% (обычная точность радиозондовых измерений) средняя квадратическая ошибка вычисления N составляет ΔN=±4,1, а неопределенность значений коэффициентов K₁, K₂ в формуле (3) дает дополнительную погрешность δN=±1,6 [1].

Известен способ определения значений N, который состоит в измерении диэлектрической проницаемости воздуха (ε) с помощью рефрактометра и вычислении индекса преломления по формуле

[4. Казаков Л.Я.. Ломакин А.Н. Неоднородности коэффициента преломления воздуха в тропосфере. - М.: Наука.- 1976. - 164 с.], с. 55-61. Рефрактометр может быть установлен на радиозонде, на самолете, на метеобашне, на мачте корабля. Суммарная относительная ошибка рефрактометра для наиболее часто употребляемого предела измерений в 50 N-единиц составляет 2% [4, с.71].

Согласно метрологическому анализу радиометеорологических данных [5. Бин Б. Р. , Дантон Е.Дж. Радиометеорология. - Ленинград: Гидрометеоиздат. -1971. 362 с. Рис. 2.1. ] для получения погрешности не более ±1 N-ед. получены следующие допустимые значения погрешностей измерения: ΔТ=0,788 К, Δр=3,7 мбар, Δе= 0,22 мбар (относительная влажность должна определяться с погрешностью не хуже Δе=0,33% при температуре 35^oС или Δе=3,0% при 0^oС).

Перечисленные способы являются контактными и обладают общими недостатками: 1) способы не обеспечивают пространственного осредненения индекса преломления; 2) невозможно получить оперативные данных о величине индекса преломления на произвольно заданной трассе распространения радиолуча наземной радиостанции; 3) способы нельзя применить для мониторинга в реальном времени; 4) реализующие эти способы устройства не пригодны для использования в районе аэропорта ввиду создания помех воздушному движению.

Для исключения перечисленных недостатков необходимо применять неконтактные способы всепогодного зондирования атмосферы с поверхности Земли.

Известен способ нахождения волновода испарения над морской поверхностью с помощью радиометра (длина волны λ=2,1 см) с антенной, имеющей главный луч шириной около 1^o и низкий уровень боковых лепестков (параболический рефлектор диаметром 2,5 м, облучатель в виде скалярного рупора). Антенна подвешена на борту судна. Сканирование антенны проводилось около зенитных углов θ= 85^o. . . 95^o. При вертикальной поляризации антенны обнаружен всплеск радиояркостной температуры под углом θ≈90^o. [6. Кошель К.В., Славутский Л.А., Шевцов Б.М. Распространение УК и СВЧ радиоволн над морем. Владивосток: Дальнаука. 1993. -160 с.], с.136-141.

Недостатком радиометрического способа зондирования атмосферы является его низкая точность. Радиометрические измерения не были подтверждены проведенными одновременными независимыми метеорологическими измерениями.

Известен способ оценки ослабления и рефракции радиоволн над морской поверхностью с помощью двухчастотного радиолокационного зондирования (λ=3; 10 см) под малыми углами места. Приемопередающие антенны кругового обзора имели ширину диаграмм направленности θ_г = 0,75^° и 2,5^o в горизонтальной плоскости, θ_в = 20^° в вертикальной плоскости и располагались на высоте 25-26 м. Длительность импульса посылки 0,4-0,8 мкс. Способ основан на приеме обратного рассеяния радиоволн взволнованной морской поверхностью (в результате резонансного брэгговского рассеяния) [6, с. 126-135].

Недостатком радиолокационного способа зондирования атмосферы является его ограниченное применение: способ не может быть использован при распространении радиоволн над сушей и при больших углах места.

Известен способ определения показателя преломления радиоволн в пограничном слое атмосферы, основанный на теоретической модели [7. Андрианов В.А., Ракитин Б.В. // Радиотехника и электроника, 1978. Т. 23. 10. С. 2031-2038]. Для примения модели требуется измерение с помощью акустического локатора высотных профилей температуры и скорости ветра, а также уточнение характера атмосферных неоднородностей. Недостатком способа является ограничение его применения только некоторыми погодными условиями, так как наличие слоев в приземном слое ограничивает применимость модели [7].

Общим недостатком способов акустического и радиолокационного зондирования атмосферы является использование естественных отражателей акустических или электромагнитных волн, возникновение таких отражателей обусловлено локальной турбулентностью атмосферы, которая может отсутствовать на разных высотах при некоторых погодных условиях.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является способ радиоакустического зондирования атмосферы [8. Орлов М. Ю., Юрчак Б.С. О возможности определения влажности в приземном слое атмосферы радиоакустическим способом. // Труды института экспериментальной метеорологии, 1985, 38/121, с. 14-20], заключающийся в том, что с поверхности Земли направляют в атмосферу акустическую посылку в виде пакета синусоидальных колебаний с несущей частотой F_s, сопровождают посылку радиоимпульсами с несущей частотой F_e от доплеровского локатора, принимают электромагнитные сигналы, отраженные от возмущенного объема воздуха (эхо-сигналы), при выполнении условия Брэгга λ_s = λ_e/2, где λ_s, λ_e - длины акустической и электромагнитной волн в области отражения, по доплеровскому сдвигу принятых эхо-сигналов определяют высотные профили температуры и ветра, по затуханию эхо-сигналов находят высотный профиль влажности, измеряют приземное значение давления и вычисляют высотный профиль показателя преломления воздуха.

Определение высотных профилей температуры и скорости ветра с помощью радиоакустического зондирования атмосферы и возможности совершенствования подробно описаны в литературе, см., например, [9. Каллистратова М.А., Кон А. И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука. 1985. 197 с.], с. 162-165. Возможность радиоакустического измерения профиля влажности основана на зависимости амплитуды отраженного сигнала от коэффициента поглощения звука, определяемого в свою очередь температурой и относительной влажностью воздуха. Однако, поскольку амплитуда принятого сигнала зависит от многих факторов, в частности от ветрового сноса и интенсивности турбулентности, то точность такого метода не может быть высокой [9, с. 165].

Основным недостатком прототипа является низкая точность измерения высотного хода влажности, обусловленная следующими источниками погрешности.

Внешние источники:
1. Добавочное поглощение звука, вызываемое турбулентностью атмосферы.

2. Условие Брэгга может выполняться только на некоторых участках дистанции зондирования; в стратифицированной атмосфере это приводит к разной степени настройки частоты доплеровкого локатора на акустическую длину волны и отсюда к дополнительному уменьшению амплитуды отраженного сигнала.

3. Влияние скорости и направления ветра и его пульсаций на величину эхо-сигнала.

Внутренний источник:
4. Недостаточная точность измерения СВЧ мощности принятого эхо-сигнала: при обычной погрешности измерения отношений СВЧ мощности δ_q= ±0,5 дБ коэффициент ослабления звука при F_s=4 кГц определяется с погрешностью до δ=100%, при повышении точности до δ_q = ±0,1 дБ можно достичь δ=10% [8, с 17].

Экспериментально получено [10. Ульянов Ю.Н. Точность определения влажности воздуха двухчастотным радиоакустическим зондированием. // Тр. 10 Всесоюзного симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч.2.-Томск. 1989. С. 107-111], что способ-прототип позволяет измерять профиль влажности только в штилевых условиях.

Повышение точности измерения СВЧ мощности принятого эхо-сигнала в способе-прототипе до δ_q=±0,1 дБ (2,3%) приводит к следующим последствиям. При выходной мощности акустического передатчика, например, 10 Вт порядок принимаемых эхо-сигналов составит 10^-9±2,3•10^-11 Вт, т.е. погрешность измерения амплитуды эхо-сигналов оказывается того же порядка, что и уровень ее пульсаций. Чувствительность приемника должна составлять по крайней мере 10^-11 Вт.

Таким образом, с учетом известных улучшающих технических решений способ-прототип не может применяться при ветре, а простое повышение точности измерения отношений СВЧ мощностей не может дать желаемого повышения точности измерения профиля влажности этим способом.

В основу изобретения поставлена задача повышения точности определения высотного профиля показателя преломления воздуха в пограничном слое атмосферы путем повышения точности нахождения высотных профилей температуры и влажности, при расширенном диапазоне допустимого ветра, при увеличении динамического диапазона приемника вплоть до уровня пороговой чувствительности (лишь бы эхо-сигнал был зафиксирован).

Такой технический результат достигается тем, что в способе радиоакустического зондирования атмосферы, заключающемся в том, что с поверхности Земли направляют в атмосферу пакет акустических колебаний, сопровождают пакет радиоимпульсами от доплеровского локатора, принимают электромагнитные сигналы, отраженные от возмущенного объема воздуха (эхо-сигналы), при выполнении условия Брэгга λ_s = λ_e/2, где λ_s, λ_e - длины акустической и электромагнитной волн в области отражения, по характеристикам эхо-сигналов определяют высотные профили температуры и влажности, измеряют приземное значение давления и вычисляют высотный профиль индекса преломления воздуха, согласно изобретению излучают акустический пакет длительностью τ_s, состоящий из импульсов длительностью τ_s0, с частотой повторения F_s0, τ_s0<1/MF_s0, облучают пакет электромагнитными посылками длительностью τ_e, в спектре которых имеются частоты mF_e0, где m=1, 2,...M, причем частота F_e0 связана с частотой F_s0 соотношениями λ_s = λ_e/2, где λ_e=c_e/F_e0, c_е - скорость света, λ_s=c_s/F_s0,

- скорость звука в воздухе при температуре Т, лежащей в заданном интервале от T_min до Т_mах, принимают эхо-сигналы на частотах, близких к mFeo, измеряют значения частот доплеровских смещений F_д1, F_д2,..., F_дM для различных дальностей и разность фаз сигналов на разных доплеровских частотах, по разности фаз определяют профиль влажности для всего расстояния зондирования, по частотам доплеровских смещений с учетом значений влажности находят высотный профиль температуры.

Основой предлагаемого способа радиоакустического зондирования является ранее не использованный физический эффект обратного рассеяния электромагнитной волны акустическим пакетом, образующим тонкие слои уплотнения воздуха (с увеличенной диэлектрической проницаемостью), нормальные к направлению распространения и разнесенные на расстояние, кратное половине длины электромагнитной волны. При облучении такого пакета электромагнитной посылкой из М кратных радиочастот (для которых между слоями уплотнения воздуха укладывается одна или несколько полуволн) эхо-сигналы возникают на этих радиочастотах, что соответствует их взаимодействию с М звуковыми гармониками.

Определение высотного профиля температуры в предложенном способе.

По формуле Лапласа для сухой атмосферы
T=c_sd/q², (2)
где c_sd -скорость звука в сухом воздухе, q=(kR/m_в)^1/2=20,053 - постоянная, слабо зависящая от влажности воздуха, k - отношение удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении (С_р) и постоянном объеме (С_v), R - газовая постоянная, m_в - молекулярная масса воздуха.

Доплеровский сдвиг F_д частоты эхо-сигнала при радиоакустическом зондировании зависит от скорости звука c_s в реальной атмосфере как
c_s = F_дλ_e/2. (3)
Скорость звука c_s в реальной атмосфере связана с влажностью соотношением [9, с. 32]
c_sd=c_s (1+0,28h)^-1/2, h=e/p, (4)
где h=e/p - молярная концентрация водяного пара, в процентах.

Согласно [11. Fukushlma M., Tanaka H. and Furuhama Y. Radio, acoustic and radio-acoustic sounder. // J. Meteorol. Soc Japan. V. 22, 121. 1976. Р. 427-442] при измерении температуры радиоакустическим способом без учета влажности, т.е. по формулам (2), (3), максимальная погрешность достигает ΔТ= ±2,2 К. Однако это довольно большая погрешность, и она должна быть уменьшена.

Если измерить влажность на всей дистанции зондирования и учесть значения влажности в формуле (4), можно уменьшить погрешность определения температурного профиля за счет ошибки нахождения влажности на конкретном расстоянии до ΔТ≤±0,5 К.

Определение влажности по измерению сдвига фаз эхо-сигналов на двух разных частотах (дисперсионный алгоритм) в предложенном способе. Сдвиг фаз обусловлен взаимодействием звука с молекулами воздуха, а потому зависит только от влажности атмосферы и не зависит от динамической и температурной турбулентности.

Ниже приведены полученные нами соотношения для определения влажности воздуха по измерению сдвига фаз эхо-сигналов при двухчастотном радиоакустическом зондировании. Согласно [12. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1979. 400 с.] дисперсию скорости звука в воздухе характеризуют величиной δc_s/c_s= (c_so0-c_s0)/c_s0, где c_s0 и c_so0 - скорость звука для очень малых и очень больших частот; величина δc_s/c_s не превышает 0,032%.

Теперь зависимость скорости звука от частоты [13. Бергман Л. Ультразвук и его применение в технике. Пер. с нем. 2-е изд. - М., 1957] можно записать в виде

где f_p, Гц - частота релаксации, величина которой определяется выражением [9, с.39]

Из формул (5), (6) получим зависимость фазового сдвига Δφ от дальности зондирования R для эхо-сигналов, полученных зондированием на звуковой частоте f, относительно опорной частоты f₀, на которой дисперсионный эффект пренебрежимо мал. Обозначим

вследствие малости величины х можем записать

откуда

По определению частоты 2πf = -Δφ/Δt; -
t=R/c_s; Δt/Δc_s = -R/c $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{s}}$ , отсюда 2πf = Δφc $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{s}}$ /(RΔc_s), R = Δφc_s/(πfx).
Подставим в последнее выражение Δφ = Δφ^°π/180^°, получаем

Упростим последнюю формулу, учтя в ней неравенство 1>>(f/f_p)², отражающее реально существующие в атмосфере величины влажностей, окончательно имеем

Здесь c_s - скорость звука, средняя на дистанции зондирования R.

При излучении акустического пакета с двумя кратными частотами f=F_s1, mF_s1 разность фаз эхо-сигналов для расстояния зондирования R равна

откуда

Пусть для расстояния зондирования R-ΔR получены эхо-сигналы с двумя кратными частотами f=F_s2, nF_s2. Разность фаз эхо-сигналов равна

откуда

Подставим в квадратное уравнение (6) значения f_p=f_p1 и получим решение для величин влажности h₁ (усредненной на расстоянии зондирования R) и h₂ (усредненной на расстоянии зондирования R-ΔR).

Двузначность решения квадратного уравнения (6) устраняем с помощью измерений приземного значения влажности h₀ и последующего итеративного перехода к остальным высотам зондирования с учетом высотного профиля температуры. Это оказывается возможным благодаря небольшому изменению влажности с высотой. Согласно [9, с. 35] в нижнем слое до 1 км относительная влажность изменяется до 10%.

Из последних двух соотношений получаем среднюю влажность в слое толщиной ΔR от R-ΔR до R, которую припишем расстоянию зондирования R-ΔR/2,

Значение h вместе с величиной температуры Т для той же высоты подставляем в формулу (1) для индекса преломления, находим
N=(p/T)(K₁+K₂h/T). (10)
Возможность определения влажности h по предложенному в данной заявке дисперсионному алгоритму связана с величиной турбулентности атмосферы: при наличии турбулентности возникают вариации фазы отраженного сигнала, которые должны быть меньше набега фазы, вызываемого дисперсией звука во влажной атмосфере.

На фиг. 1 представлена структурная схема радиоакустического устройства (расдара) для реализации предложенного способа. На фиг.2 приведены временные диаграммы работы радиоакустического устройства. На фиг.3 даны зависимости дальности зондирования R от длины электромагнитной волны доплеровского локатора.

Устройство для реализации предложенного способа, согласно фиг.1, включает антенну 1, выполненную в виде комбинированной радиолокационно-акустической антенны ЕМАС (рис. 1.8 [9]). В антенне ЕМАС параболическое зеркало облучается независимо звуковыми и радиоволнами, причем оптические оси акустического и радиоизлучения совпадают. Для радиоволн антенна ЕМАС представляет собой двухзеркальную антенну Кассегрена и включает рупорный облучатель, параболический и проволочный рефлекторы, для акустических волн антенна 1 является параболической однозеркальной антенной и включает акустический излучатель и параболический рефлектор. Антенна 1 имеет два входа - радиочастотный со стороны рупорного облучателя и низкочастотный со стороны акустического излучателя. Акустическая диаграмма направленности антенны 1 "вложена" в электромагнитную диаграмму направленности.

Для реализации данного способа в антенне 1, в отличие от прототипа, использован искровой акустический излучатель, который может быть выполнен, например, в соответствии с описанием [14. Подолян А.М. Широкополосный электроискровой излучатель для систем радиоакустического зондирования // Тез. докл. 7 Всесоюзного симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. 2. Томск, 1982. С. 260-263].

Радиочастотный вход антенны 1 подсоединен к антенному коммутатору 2, который соединен с нелинейным элементом 3, малошумящим усилителем 4, формирователем опорных частот 5 и ЭВМ 6. Нелинейный элемент 3 соединен с усилителем 7 мощности СВЧ и смесителем 8, который подсоединен ко входу малошумящего усилителя 4. Формирователь опорных частот 5 подключен к усилителю 7 мощности СВЧ, к ЭВМ 6 и возбудителю 9, подключенному к акустическому излучателю антенны 1. Смеситель 8 подключен к доплеровскому фильтру 10, который подсоединен к полосовому усилителю 11. ЭВМ 6 подключена также к нелинейному элементу 3, возбудителю 9 и полосовому усилителю 11.

Антенный коммутатор 2 может быть выполнен на СВЧ переключателях Switches GaAs типа KSWA-2-46 [15. RF/IF designer's guide, DG-98/99. 760 pg. Handbook microwave product data directory, EEM. Mini-circuits. USA. P. 162].

В качестве нелинейного элемента 3 может быть использован варактор - полупроводниковый диод, применяемый как нелинейная емкость с малыми потерями, включенный в схему умножителя частоты [16. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В. Благовещенского и Г.М.Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. 407 с. С. 244].

Малошумящий усилитель 4 выполнен, например, как прибор JS2-00100600-10-3а [17. Microwave journal euro-global editor. 1999. V. 42, 8. Р. 19].

Формирователь опорных частот 5 может быть выполнен в виде возбудителя с синтезатором частоты по схеме цифрового непрямого синтеза [16, с. 351-352].

В качестве ЭВМ 6 может быть использован компьютер IBM PC.

В качестве усилителя 7 мощности СВЧ может быть использован, например, твердотельный СВЧ усилитель типа LZY-2 [17, р.107].

Смеситель 8 выполнен, например, по балансной схеме в твердотельном исполнении [15, с. 62].

Возбудитель 9 для искрового акустического излучателя может быть выполнен согласно [14].

Доплеровский фильтр 10 может быть выполнен по схеме гребенки доплеровских фильтров [1].

Полосовой усилитель 11 может быть выполнен по схеме активного фильтра [18. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. - М.: Мир, 1983. 598 с. Рис. 4.17. The art of electronics. P. Horowitz, W. Hill. Cambridge University Press, 1980].

Способ реализуется следующим образом.

1. По сигналу оператора ЭВМ 6 формирует сигналы на закрытие антенного коммутатора 2, на запуск формирователя опорных частот 5 и возбудителя 9, который генерирует серию электрических импульсов в течение времени τ_s, поступающих на вход акустического излучателя антенны 1. Формирователь опорных частот 5 синхронизирует выходной сигнал возбудителя 9. Акустический излучатель антенны 1 преобразует электрические импульсы в звуковые, образуя пакет длительностью τ_s, излучаемый антенной 1 в свободное пространство. Зондирующий объем акустического пакета ограничивается акустической диаграммой направленности антенны 1 и величиной (τ_sc_s)/2.
Длительность одного импульса в пакете равна τ_s0, период повторения импульсов в пакете равен Т_s0 (см. временную диаграмму акустического канала на фиг.2).

2. По окончании излучения пакета звуковых зондирующих импульсов ЭВМ 6 подает сигнал на прекращение работы возбудителя 9 и начинает работать в цикле управления электромагнитными посылками. Производятся следующие операции (см. временную диаграмму радио-канала на фиг.2).

2.1. ЭВМ 6 подает сигнал на открытие входов антенного коммутатора 2 со стороны нелинейного элемента 3 и радиочастотного входа антенны 1, а также на закрытие выхода антенного коммутатора 2 со стороны малошумящего усилителя 4, подает сигнал на формирователь опорных частот 5. Формирователь опорных частот 5 посылает сигнал частоты F_e0 в усилитель 7 мощности СВЧ, который усиливает этот сигнал и подает на нелинейный элемент 3. Нелинейный элемент 3 формирует широкополосный импульсный сигнал с частотами, кратными F_e0,
попадающий через антенный коммутатор 2 на радиочастотный вход антенны 1, и непрерывный широкополосный сигнал, поступающий на смеситель 8. Антенна 1 формирует электромагнитный импульс, пространственное распределение которого ограничивается электромагнитной диаграммой направленности антенны 1 и величиной (τ_ec_e)/2.
2.2. В момент окончания электромагнитного импульса длительностью τ_e ЭВМ 6 выдает на антенный коммутатор 2 сигнал на закрытие входа со стороны нелинейного элемента 3 и открытие выхода антенного коммутатора 2 со стороны малошумящего усилителя 4. В течение времени τ_г эхо-сигналы проходят через антенну 1 и антенный коммутатор 2 на малошумящий усилитель 4, который усиливает эти сигналы и подает на смеситель 8. Смеситель 8 смешивает эхо-сигнал с сигналом, поступающим от нелинейного элемента 3. Разностные составляющие сигналов с выхода смесителя 8 подаются на доплеровский фильтр 10, где выделяются сигналы доплеровских частот, кратных F_s0, которые подаются на полосовой усилитель 11. Полосовой усилитель 11 производит разделение сигналов кратных доплеровских частот и подает их в ЭВМ 6.

2.3. В течение времени τ_p ЭВМ 6 производит обработку принятых эхо-сигналов в соответствии с алгоритмом, определенным формулами (2)-(10).

2.4. По окончании интервала времени τ_p ЭВМ 6 подает сигнал в соответствии с п.1, после чего п.п. 2.1-2.3 повторяются еще N-1 раз.

3. По истечении времени T_s ЭВМ 6 выдает сигнал в соответствии с п.1, после чего п.п. 1, 2 повторяются.

Оценим величины дальностей зондирования по предложенному способу. Для примера подставим значения е=18,4 мбар (что соответствует при Т=293 К относительной влажности е/Е=80%, Е - парциальное давление водяного пара при насыщении, мбар), р=р₀, в формулу (6), получим f_p1=66189 Гц.

Примем c_s=340 м/с и по формуле (8) получим сдвиги фаз Δφ_1max для нижней частоты F_s0=2000 Гц и одной из частот mF_s0=4000, 6000, 8000, 10000 Гц на максимальной для частоты mF_s0 дальности R_max, определенной в [9, с. 123]. Учитывая, что фазовые сдвиги можно измерять с помощью существующей аппаратуры радиоакустического зондирования с погрешностью не хуже 0,5^o [19. Кушнир Ф. В., Савенко В.Г. Электрорадиоизмерения. -Л.: Энергия, Ленинградское отд., 1975. 367 с. С.312], найдем расстояния R, на которых сдвиг фаз Δφ₁ = 2^°, для тех же пар частот. Результаты сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что при многочастотном радиоакустическом зондировании атмосферы, принимая эхо-сигналы с разных высот, можно получить сдвиги фаз, которые надежно измеряются современной аппаратурой.

На фиг.3 приведены кривые максимальной и минимальной дальности, полученной экспериментальными установками радиоакустического зондирования [9] (линии с кружочками и квадратиками). По кривой максимальной дальности найдены значения в третьей и четвертой строках таблицы. Линия с треугольниками соответствует последней строке таблицы.

Оценим величины длительностей импульсов. Пусть применяется наклонное радиоакустическое зондирование под углом места θ = 40^°. При высоте зондирования Н= 500 м наклонная дальность R = H/sinθ = 778 м. Имея в виду требование ICAO о разрешении по высоте ΔН=30 м, получаем разрешение по наклонной дальности Δr = ΔH/sinθ = 47 м.
Интервал температур воздуха зададим равным ±40^oС (Т=233÷313 К). Из уравнения Лапласа находим интервал скоростей звука
c_s=20,053•T^1/2=(306,09÷354,7) м/с
и соответствующий интервал звуковых частот F_s = c_s/λ_s=(1800-2086) Гц.

Длительность акустического зондирующего импульса τ_s = Δr/c_s = 140 мс определим округленно для середины диапазона звуковых скоростей (c_s=335,7 м/с). Акустическая посылка содержит N_s=276 длин волн. Для обеспечения необходимого разрешения по дальности, согласно [9, ф-ла (4.26)], должно выполняться условие N_s<[π/2)λ_sγ_т/T]^-1/2 = 334, где Т=293 К, γ_т=0,0098 К/м - сухоадиабатический градиент температуры.

За время между соседними акустическими посылками каждая из них должна пройти расстояние, не меньшее, чем наклонная дальность зондирования, отсюда (T_s-τ_s)≥R/c_s. Получаем T_s≥2,68 с или T_s=2,7 с.

Для определения параметров импульсов внутри акустической посылки рассмотрим спектр периодической последовательности импульсов. Наименьшая скорость спадания амплитуд первых спектральных составляющих спектра имеет место для последовательности импульсов прямоугольной формы. Согласно [20. Справочник по радиоэлектронике. Т. 1. - М.: Энергия, 1967. 640 с. С.102] спектр последовательности прямоугольных импульсов длительностью τ_s0 с периодом T_s0, симметричный относительно временной оси, является линейчатым, частоты равны NF_s0= N/T_s0, где N=1, 2... Огибающая спектра описывается функцией Бесселя, нули которой находятся в частотных точках n/τ_s0, n=1, 2... При условии 1/τ_s0≥(M+1)F_s0 частоты mFso, m=1, 2..., М, имеют ненулевые амплитуды, так как они находятся в одном и том же (главном) лепестке функции Бесселя. Для выбранной выше частоты MF_s0=10 кГц получаем длительность импульса не более τ_s0=83 мкс.

Период следования радиоимпульсов Т_e находим из условия нормального фазового детектирования отраженных импульсных сигналов: дискретная функция (с доплеровской частотой, равной частоте звука) должна быть представлена более чем двумя отсчетами за период следования. Поэтому 1/T_e>2MF_s, принимаем 2MF_s= 20 кГц, тогда можно принять 1/Т_e=25 кГц, т.е. Т_e=40 мкс. Длительность посылки τ_e определяется из условия перекрытия ею расстояния разрешения, т.е. c_e•τ_e = ΔR, откуда находим τ_e=47/3•10⁸=0,16 мкс. Время между соседними радиоимпульсами T_e-τ_e распределяется между временем приема отраженного радиоимпульса τ_г=2R/c_e=5,2 мкс и временем на обработку данных τ_p=34,64 мкс. В течение времени между двумя соседними акустическими посылками можно излучить N = (T_s-τ_s)/T_e = 64000 радиоимпульсов.

Таким образом, предложенный способ благодаря новым операциям, указанным в формуле изобретения, позволяет исключить недостатки прототипа, решает поставленную задачу и обеспечивает достижение необходимого технического результата.

Claims (1)

1. Способ радиоакустического зондирования атмосферы, заключающийся в том, что с поверхности Земли направляют в атмосферу пакет акустических колебаний, сопровождают пакет радиоимпульсами от доплеровского локатора, принимают эхо-сигналы при выполнении условия Брэгга λ_s = λ_e/2, где λ_s, λ_e - длины акустической и электромагнитной волн в области отражения, по характеристикам эхо-сигналов определяют высотные профили температуры и влажности, отличающийся тем, что пакет акустических колебаний длительностью τ_s составляют из импульсов длительностью τ_s0 с частотой повторения F_s0, τ_s0<1/МF_s0, сопровождают пакет радиоимпульсами длительностью τ_e, в спектре которых имеются частоты mF_е0, где m= 1,2, . . . М, причем частота F_е0 связана с частотой F_s0 соотношениями λ_s = λ_e/2, где λ_e = с_е/F_е0; с_е - скорость света; λ_s = с_s/F_s0;

   

   - скорость звука в воздухе при температуре Т, лежащей в заданном интервале от Т_min до Т_max, принимают эхо-сигналы на частотах, близких к mF_е0, измеряют характеристики эхо-сигналов, а именно значения частот доплеровских смещений F_д1, F_д2, . . . , F_дМ для различных дальностей и разность фаз сигналов на разных доплеровских частотах, по разности фаз определяют профиль влажности для всего расстояния зондирования, по частотам доплеровских смещений с учетом значений влажности находят высотный профиль температуры.

Images