Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое

Міністерство освіти і науки України Харківський національний університет радіоелектроніки

МАГІСТЕРСЬКА ДИПЛОМНА РОБОТА

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Дослiдження та розробка системи радiоакустичного зондування для вимiрювання параметрiв вiтрових потокiв у атмосферному прикордонному шарi

Магістрант гр. АРТм — 07 — 1

_____________ Павлік К.М.

Науковий керівник

______________ проф. Сідоров Г. I.

Допускається до захисту

Зав. Кафедри

______________________ проф. КарташовВ.М.

2011 р.

Реферат

Пояснительная записка, 100 с., 10 иллюстраций, 6 таблиц, 80 формул.

Цель работы: исследование возможностей измерения сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования, исследование потенциальных и методических погрешностей измерений и проведение предварительного метрологического анализа проектируемой системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Объект исследования: радиоакустическая система вертикального зондирования атмосферного пограничного слоя.

Предмет исследования: метрологические характеристики системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Методы исследования: методы математического анализа; методы компьютерного моделирования в среде MathCad 2001 Professional; методы численного анализа.

В данной работе рассмотрены принципы радиоакустического зондирования атмосферы. Выбрана для анализа система вертикального зондирования. Обоснована необходимость и проработан метод метрологической аттестации системе на этапе эскизного проектирования.

Результаты являются важным элементом при техническом проектировании системы.

МЕТОД РАДИОАКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ, ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОРЕШНОСТИ, МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ.

Реферат

Пояснювальна записка, 100 с., 10 ілюстрацій, 6 таблиць, 80 формул.

Мета дослідження: дослідження можливостей вимірювання зсуву вітру у прикордонному шарі атмосфери з використанням систем радіоакустичного зондування, дослідження потенційних та методичних похибок вимірів та проведення попереднього метрологічного аналізу системи радіоакустичного зондування атмосфери.

Об'єкти дослідження: радіоакустична система вертикального зондування атмосферного прикордонного шару.

Предмет дослідження: метрологічні характеристики системи радіоакустичного зондування атмосфери.

Методи дослідження: методи математичного аналізу; методи комп’ютерного модулювання у пакеті прикладних програм MathCad 2001 Professional; методи чисельного аналізу.

У роботі розглянуті принципи радіоакустичного зондування атмосфери. Обрана до аналізу система вертикального зондування атмосфери.

Обгрунтована необхідність та опрацьован метод метрологічної атестації системи на етапі ескізного проектування.

Результати є важливим елементом під час технічного проектування системи МЕТОД РАIОАКУСТИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ АТМОСФЕРИ, ПРИКОРДОННИЙ ШАР, ПОТЕНЦIЙНI ПОХИБКИ, МЕТРОЛОГIЧНА АТЕСТАЦIЯ.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ

1. Обзор литературных источников. Анализ методов исследования и проектирования систем радиоакустического зондирования атмосферы

1.1 Анализ литературных источников

1.2 Параметры некоторых аналогичных систем

1.3 Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы

1.4 Проверка условия Брэгга

1.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ

1.6 Трудности на пути исследований

1.7 Особенности метода РАЗ

2. Системы Радиоакустического зондирования

2.1 Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования

2.2 Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты

2.3 Предпосылки исследования нижних слоев атмосферы

2.4 Необходимые условия

2.5 Практическое применение метода радиоакустического зондирования атмосферы

2.6 Выбор метода исследований

2.7 Актуальность метода

3. проектирование моноимпульсной однопозиционной системы радиоакустического зондирования

3.1 Методы измерения сдвига ветра

3.2 Конфигурация антенной системы

3.3 Анализ работы радиотехнического устройства

3.4 Технические характеристики системы

3.5 Оценка оптимального отношения сигнал/шум в системе радиоакустического зондирования атмосферы

3.6 Исследование траектории движения акустического пакета

3.7 Особенности разработанной системы радиоакустического зондирования

4. Измерение сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования

4.1 Качество измерений

4.2 Виды погрешностей

4.3 Подготовка к метрологической аттестации системы на этапе разработки

4.4 Анализ системы радиоакустического зондирования. Метрологическая аттестация системы

4.5 Исследование методических погрешностей

4.6 Анализ зависимости величины погрешности от отношения сигнал/шум

4.7 Выводы по метрологической аттестации на этапе проектирования

Выводы

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ

АР — антенная решетка;

АВП — акустический волновой пакет;

АЗ — акустическое зондирование;

АЛ — акустический локатор;

АПС — атмосферный пограничный слой;

АС — акустическая система;

ДН — диаграмма направленности;

Лидар — лазерный метеорологический локатор;

ЛЧМ — линейная частотная модуляция;

МРЛС — метеорологическая радиолокационная станция;

ПАВ — пакет акустических волн;

Радиоакустический сигнал — векторный зондирующий сигнал, состоящий из одномерных акустического и электромагнитного колебаний;

РАЗ — радиоакустическое зондирование;

РАС — радиоакустическая система;

Расдар — станция радиоакустического зондирования атмосферы;

РЛС — радиолокационная станция;

РВП — радиолокационный ветровой профилер;

РСЗА — радиоакустическая система зондирования атмосферы;

СМ — структурная модель;

Содар — станция акустического зондирования атмосферы;

ХНУРЭ — Харьковский национальный университет радиоэлектроники;

ЭПР — эффективная площадь рассеяния;

— коэффициент затухания звуковых волн;

— коэффициент, слабо зависящий от состава, температуры, давления и влажности воздуха;

— скорость распространения звука;

— скорость распространения электромагнитных волн;

— структурная постоянная (характеристика) флуктуаций температуры;

— структурная постоянная (характеристика) флуктуаций скорости ветра;

— постоянная отражения для воздуха, ;

— напряженность электрического поля радиоволны;

— диэлектрическая проницаемость;

— частота акустического излучения;

— доплеровское смещение частоты звуковой волны;

— несущая частота радиосигнала;

— доплеровское смещение частоты радиосигнала;

— угол рассеяния;

— длина электромагнитной волны;

— длина волны акустических колебаний;

— число длин волн в акустическом пакете;

— мощность акустического излучения;

— мощность электромагнитного излучения;

B — параметр расстройки условия Брэгга;

— радиус-вектор точки пространства;

— время;

— абсолютная температура;

— длительность акустического импульса;

— длительность радиоимпульса;

— вектор скорости ветра;

— проекции вектора скорости ветра на оси координат (составляющие скорости ветра);

, — погрешности составляющих скорости ветра.

Жизнь и деятельность человека протекают в атмосфере Земли и зависят в значительной степени от ее состояния. Атмосфера — чрезвычайно сложный и динамичный объект, требующий для исследования соответствующих теоретических и экспериментальных методов. Традиционные контактные методы измерений не способны удовлетворить возрастающих требований к объему метеорологической информации. Основными их недостатками являются дискретность получаемых результатов в пространстве либо во времени и высокая стоимость высотных измерений, для выполнения которых используются специальные средства доставки датчика в исследуемую область: метеорологические мачты, аэростаты, самолеты, вертолеты, ракеты и т. д.

Поэтому в последнее время интенсивно развиваются методы дистанционного зондирования атмосферы электромагнитными и звуковыми волнами [1], позволяющие производить практически непрерывные измерения во всем доступном для данного метода диапазоне высот и обеспечивающие малые затраты на проведение повторных измерений. Значительные возможности по определению параметров атмосферы предоставляют методы радиоакустического зондирования (РАЗ).

Актуальность применения и развития РАЗ в Украине обусловлена наличием районов с высокой плотностью населения, расположением предприятий промышленного производства, в том числе экологически вредных — металлургических, энергетических, химических, значительным развитием воздушного транспорта и ядерной энергетики.

Метод и аппаратура РАЗ могут быть использованы для прогнозирования условий распространения УКВ и волн оптического диапазона, метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, прогнозирования неблагоприятных метеорологических ситуаций, приводящих к повышенным уровням загрязнения атмосферного воздуха вредными промышленными выбросами, исследования термодинамических процессов, протекающих в атмосферном пограничном слое (АПС).

Цель работы: исследование возможностей сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования, исследование потенциальных и методических погрешностей измерений и проведение предварительного метрологического анализа проектируемой системы радиоакустического зондирования атмосферы.

1. Обзор литературных источников. Анализ методов исследования и проектирования систем радиоакустического зондирования атмосферы

1.1 Анализ литературных источников

Выполнен аналитический обзор литературных источников, относящихся к рассматриваемой предметной области. Показано, что системы РАЗ характеризуются рядом особенностей, которые выделяют их в специфический класс локационных систем.

Существующие методы измерения параметров атмосферы делятся на две группы [2]: контактные и дистанционные. Среди дистанционных методов зондирования в настоящее время наиболее развиты и перспективны для практического применения следующие: радиолокационный, акустический, радиоакустический, лазерный.

Радиолокация занимает прочное место в исследованиях атмосферы и широко используется в практике метеонаблюдений. Источниками рассеянного сигнала в метеорологических радиолокационных станциях (МРЛС) могут выступать как гидрометеоры (капли дождя, частицы снега, тумана, облаков), так и турбулентные образования «ясного неба» [9, 11]. Некогерентные МРЛС, использующие рассеяние на гидрометеорах, предоставляют возможность определять свойства наблюдаемых метеообразований по энергетическим параметрам принимаемого сигнала, доплеровские (когерентные) станции этого типа позволяют дополнительно измерять динамические характеристики перемещения и эволюции метеообразований по спектру радиосигнала [10,12]. Информативными являются методы поляризационного распознавания классов метеообъектов, реализуемые как в когерентных, так и в некогерентных станциях.

В последнее время интенсивно развиваются доплеровские МРЛС вертикального зондирования, основанные на явлении рассеяния радиоволн турбулентными неоднородностями показателя преломления воздуха [8,10]. Эти станции, получившие название радиолокационных ветровых профилеров (РВП) [10], позволяют определять высотные профили скорости и направления ветра в диапазоне высот от 500 м до 15−20 км непосредственно над местом расположения РЛС. РВП представляют собой высокопотенциальные когерентно-импульсные РЛС дециметрового или метрового диапазонов. Высотное разрешение измерений составляет 150−500 м, время получения одного профиля от нескольких минут до одного часа.

Работа лазерных метеорологических локаторов — лидаров основана на рассеянии световых волн частицами атмосферного аэрозоля, а также молекулами кислорода, азота, натрия и др. [14,15]. Лидары способны оценивать скорости движения рассеивателей как в верхних слоях атмосферы (для этого используется ультрафиолетовый диапазон излучения), так и в нижних слоях (при использовании видимого и инфракрасного диапазонов). Скорость ветра определяется по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала, либо путем оценивания скорости перемещения в пространстве рассеивающих структурных неоднородностей с использованием корреляционного анализа интенсивностей принимаемых сигналов.

Пространственное разрешение лидарных систем лучше, чем у РВП. Но выполнение лидарных измерений возможно только в темное время суток, а точность получаемых результатов существенно зависит от степени замутненности атмосферы.

Радиолокационные и лазерные средства позволяют получать ценную метеоинформацию с достаточно больших территорий и высот. Однако приземный и пограничный слои атмосферы, а также прилегающие к ним области высот, играющие чрезвычайно важную роль в жизнеобеспечении всего живого на Земле и формировании протекающих метеопроцессов, не могут быть детально исследованы существующими радиолокационными и лидарными станциями.

Большие возможности для исследования нижних слоев атмосферы предоставляют методы дистанционного зондирования с использованием звуковых волн — акустический и радиоакустический методы. Звуковые волны гораздо интенсивнее взаимодействуют с атмосферой, чем электромагнитные волны радио и оптического диапазонов, что, с одной стороны, расширяет их возможности по оцениванию метеопараметров, с другой стороны, снижает проникающую способность, а, следовательно, дальность зондирования. В соответствии с этим диапазон дальности акустических и радиоакустических локаторов ограничен, как правило, высотами порядка нескольких километров, а наиболее подходящим объектом для их использования является атмосферный пограничный слой (АПС) [2,4].

В методе радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы определение метеопараметров осуществляется по характеристикам радиосигнала, отраженного от распространяющегося в атмосфере звука.

Дистанционное зондирование атмосферы акустическими волнами основано на рассеянии звуковых волн мелкомасштабными неоднородностями показателя преломления, обусловленными турбулентными флуктуациями температуры, скорости ветра и влажности.

За всю сорокалетнюю историю метода РАЗ отношение к нему исследователей и потенциальных потребителей информации неоднократно менялось от восторженно-оптимистического до крайне пессимистического и наоборот. Вначале это было связано с тем, что метод сразу был предложен как практический для определения метеопараметров до высот в несколько десятков километров. Однако многочисленные аспекты распространения звука в реальной атмосфере и механизма взаимодействия радиоволн со звуком не были к тому времени в достаточной степени изучены.

1.2 Параметры некоторых аналогичных систем

Первые попытки по созданию реальных систем РАЗ были предприняты в США в 1961 году При испытании установки радиоакустического зондирования не удалось получить отраженный радиосигнал с высот более 30 метров и теоретические и практические работы в данном направлении были прекращены.

Установка (EMAC)работала на звуковой частоте 22кГц, а ее диапазон высот при этом был ограничен 30 метрами. Неудачи в этой первой попытке обуславливались, в первую очередь, опрометчивым выбором звуковой частоты, при которой, для того, чтобы скомпенсировать поглощение, осуществили наращивание акустической мощности источника звука, что привело к образованию ударных звуковых волн, быстро рассеивающих свою энергию в атмосфере. Положительными особенностями этой установки можно считать ее малые геометрические размеры, которые позволяют говорить о ней как о мобильной, допускающей размещение на различных подвижных объектах. Применение низких звуковых частот для радиоакустической системы зондирования атмосферы (РСЗА) в других попытках позволило получить дальность зондирования до 1,5 км, но разрешающая способность при этом по дальности была очень низкой (около 200м). Кроме того, при наличии ветра высота зондирования значительно уменьшалась.

Использование при эксперименте импульсного доплеровского радиолокатора хотя и позволило сделать установку (RASS-1), но она оказалась непригодной для целей исследования загрязнений приземного слоя атмосферы. Стремление к расширению диапазона высот зондирования привело к модернизации этой установки: импульсный доплеровский радиолокатор был заменен непрерывным, работающим на той же частоте (36,8МГц), в ущерб габаритам установки.

Дальность зондирования была доведена до 3 км (при благоприятных атмосферных условиях), а ограничение высоты снизу скомпенсированы установкой дополнительных антенн доплеровского радиолокатора с меньшей базой (14м).

Разрешающая способность по дальности могла варьироваться в диапазоне 120…200м.

Первые попытки по созданию мобильных установок радиоакустического зондирования атмосферы воплотились в экспериментальном устройстве HF-RASS, работающем на звуковой частоте 1кГц, которое позволило осуществлять прием рассеянного звуковой посылкой радиосигнала до высоты почти 1 км. База антенны радиолокатора, работающего в непрерывном режиме на f = 400МГц, составила 6 м при бистатическом способе приема сигнала.

Успешными явились также эксперименты, проведенные в институте физики и атмосферы АН СССР по применению в качестве доплеровского радиолокатора приемо-передающего блока измерителя скорости и угла сноса самолета ДНСС-ЗЛ, что позволило создать компактную РСЗА, работающую на звуковой частоте 22,5кГЦ, база радиоантенны составляет всего 0,55 м. Установка РАЗ позволила получить уверенный рассеянный звуковыми посылками сигнал до высот 30−35м[4]. Радиоакустическая система, разработанная проблемной лабораторией зондирования атмосферы Харьковского института радиоэлектроники работает в дециметровом диапазоне волн (?е=10см, ?а=5см). Система является мобильной и предназначена для измерения вертикальных профилей температуры и ветра. В системе предусмотрена компенсация ветрового сдвига акустического пакета.

Основные технические характеристики системы РАЗ сведены в таблицу 1.1

Таблица 1.1 —Параметры экспериментальных систем

Проводя сопоставление основных параметров экспериментальных систем по таблице 1.1 и зависимостей отношения принимаемой мощности к излучаемой от расстояния и частоты акустической волны, можно сделать вывод, что для дистанционного РАЗ атмосферы при исследовании метеорологической обстановки необходимо РСЗА, у которых доплеровский радиолокатор работает в непрерывном режиме, а акустический преобразователь работает на частоте звука, лежащей в интервале 1…8кГц, что позволит получить дальность зондирования РСЗА от 300 м до 1 км, при хорошей разрешающей способности по дальности (?40м)и малых габаритах.

Новая волна интереса к методу РАЗ с начала 70-х годов связана с именем американского ученого Маршалла, который, опираясь на исследования поглощения звука различных частот во влажном воздухе, выполненные Харрисом, пересмотрел существовавшие энергетические представления о методе.

К середине 80-х годов, когда сформировались принцип построения и структура доплеровской радиоакустической системы (РАС), в мире насчитывалось около 10 работающих установок РАЗ.

Отличия известных установок состояли, в основном, в используемых диапазонах длин волн, мощностях излучения и числах длин волн в акустическом импульсе. Заметим, что число длин волн в акустическом импульсе (длительность акустической посылки) легко может быть изменено и не является в этом смысле существенной характеристикой.

Все имевшиеся к тому времени системы (кроме ЕМАС и РАЗ-10) были стационарными. В качестве передающих и приемных радиоантенн чаще всего использовались параболические зеркальные антенны, в качестве акустических излучателей — решетки динамиков.

В методе радиоакустического зондирования, основанном на радиолокации распространяющейся в атмосфере звуковой волны, получение отраженного сигнала становится возможным в силу частичного отражения радиоволны от акустических колебаний, которые, распространяясь в атмосфере, модулируют плотность воздуха и, следовательно, создают неоднородности диэлектрической проницаемости.

Наибольшее развитие и распространение среди акустических способов измерения параметров атмосферы получили метод определения скорости и направления ветра по доплеровскому сдвигу частоты рассеянных сигналов и амплитудный метод определения параметров турбулентности.

Преимущества применения радиоакустических локаторов по сравнению с другими дистанционными средствами зондирования, проявляются в наибольшей степени при измерении температурных профилей в нижней тропосфере. В настоящее время РАЗ — единственный дистанционный метод, обеспечивающий на практике приемлемую точность измерений температуры в данном высотном диапазоне.

1.3 Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы

Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы состоит в том, что вместо обычно выпускаемого шар-зонда или радиозонда в атмосферу излучаются короткие посылки звуковых волн высокой интенсивности, скорость и направление распространения которых измеряются с помощью доплеровского радиолокатора.

На пути своего распространения звуковые волны создают периодические изменения диэлектрической проницаемости воздуха, которые способны рассеивать электромагнитные волны с когерентным сложением рассеянной энергии. Особенность систем РАЗ состоит в необходимости выполнения условия Брэгга (1.1), которая диктуется как энергетическими, так и информационными соображениями, то есть соблюдение условия резонансной дифракции электромагнитного излучения на решетке, созданной распространяющимися звуковыми волнами в атмосфере. Объяснить дифракцию Брэгга можно тем, что падающая под углом к звуковой решетке электромагнитная волна частично отражается от неё, а интерференция отраженных волн определяет интенсивность дифрагированной энергии (Рис. 1.1).

Рисунок 1.1 — Схема отражения электромагнитного излучения от максимумов деформации в звуковой волне

Интенсивность дифрагированной электромагнитной энергии будет максимальна, если разность хода электромагнитных волн, отраженных от соседних максимумов деформации воздушной среды удовлетворяет условию Брэгга:

(1.1)

где

(1.2)

— разность фаз отраженных электромагнитных волн;

— длина звуковой волны;

— длина электромагнитной волны;

— угол рассеяния электромагнитных волн.

Падение электромагнитных волн на звуковую решетку будет близко к нормальному в случае вертикального зондирования и рассматривая гипотетическую «прямоугольную» звуковую волну, на каждой поверхности сжатия-разрежения часть падающей электромагнитной энергии будет отражаться. Квадрат модуля коэффициента отражения по мощности определяется в этом случае выражением [7]:

(1.3)

где — на границе сред 1 и 2;

— на границе сред 2 и 3.

имеет место, когда, гделюбое печатное целое число.

Коэффициент отражения будет максимальным при =1.

Реальный пакет звуковых волн, распространяющихся в атмосфере, создает синусоидальное изменение. Максимум отражения в этом случае также будет при =1.

Здесь — любое положительное целое число.

Коэффициент отражения по мощности выражается по формуле:

(1.4)

где -постоянная отражения для воздуха;

— число длин волн в звуковой посылке;

— интенсивность акустической волны в точке отражения;

— - эталонная интенсивность акустической волны.

Из анализа выражения для? следует, что увеличение длительности звуковой посылки, увеличивает уровень отраженного сигнала. Одновременно сужает ширину полосы, затрудняя настройку акустического отражателя в резонанс, т. е. выполнение условия. Следовательно, длительность зондирующей звуковой посылки определяется по формуле:

(1.5)

где -длительность зондирующей звуковой посылки;

— разрешающая способность по дальности;

— скорость распространения звука.

1.4 Проверка условия Брэгга

Кроме явления когерентного сложения рассеянной звуковой посылки электромагнитного излучения, приводящего к увеличению интенсивности рассеянного радиоизлучения при РАЗ атмосферы с разнесенными источниками электромагнитного и акустического излучения, действует фокусирующая способность распространяющихся звуковых фронтов, которые представляют собой протяженные сферические отражатели, осуществляющие фокусировку отраженного сигнала к месту расположения приемной антенны доплеровского радиоканала.

При использовании простых акустического и электромагнитного зондирующих сигналов изменение с высотой температуры и радиальной скорости ветра приводит к нарушению соотношения Брэгга. Достаточно сильный отраженный сигнал существует только в некотором диапазоне высот, причем, чем больше длительность акустического импульса (число длин волн в импульсе), тем меньше этот диапазон.

Настройка на условие Брэгга для каждой из точек профиля («площадок») вручную путем изменения частоты излучаемого звукового сигнала занимает достаточно много времени, которое в зависимости от количества «площадок» может составлять 0,5 — 3 часа.

Используемый алгоритм измерений значительно ограничивает оперативность получения профилей метеопараметров — качество, являющееся одним из основных потенциальных достоинств метода. Кроме того, такое время соизмеримо со временем квазистационарности процессов в атмосфере, в течение которого можно производить осреднение.

Поэтому с самого начала развития метода РАЗ стали делаться попытки получения профилей «по одной звуковой посылке» с подстройкой частоты акустического излучения в среднем по трассе, однако достаточный для регистрации уровень отраженного сигнала даже при благоприятных метеоусловиях удалось получить только из нескольких соседних точек профиля. Нарушение при этом условия Брэгга в крайних точках, в которых удается зарегистрировать сигнал, приводит к появлению ошибок в определении температуры порядка 0,5 — 20 С. Указанная ошибка не превышает случайных ошибок радиозондов, но оказывается коррелированной с градиентом температуры, причем, градиент всегда занижается по абсолютной величине. И хотя общее время измерения температурного профиля по такой методике значительно уменьшается, однако появляется неслучайная ошибка, которая не может быть уменьшена осреднением и коррекцией результатов измерений.

Кардинальным решением вопроса о повышении оперативности радиоакустического зондирования и точности измерения метеопараметров является подстройка частоты электромагнитного излучения под условие Брэгга по мере продвижения простого акустического импульса в атмосфере.

Поскольку обеспечить выполнение условия Брэгга во всем диапазоне изменения акустических длин волн с помощью подстройки частоты радиосигнала не представляется возможным, то медленные (в том числе сезонные и суточные) изменения метеопараметров целесообразно компенсировать подстройкой частоты звукового генератора. Такая периодическая подстройка частоты звука может быть выполнена по прямым измерениям температуры и скорости ветра у поверхности земли и может осуществляться автоматически либо оператором. Компенсацию быстрых изменений длины акустической волны (в течение времени распространения акустического пакета) необходимо производить изменением частоты радиоизлучения. Так, чтобы обеспечить выполнение условие Брэгга при изменении температуры атмосферы с высотой на 100 С необходимо иметь возможность перестройки частоты радиосигнала в пределах 1,5% с точностью порядка 0,05% и скоростью порядка 0,1% за 0,1 с.

Однако сведения об успешной реализации подобных процедур на практике отсутствуют, что объясняется технической сложностью задачи, с одной стороны, и несовершенством алгоритмов управления частотами зондирующих сигналов — с другой.

1.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ

Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ производят по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от звуковой посылки радиосигнала:

. (1.6)

Эти измерения являются основными при определении температуры среды и компонентов скорости ветра.

Теоретическим и практическим вопросам точности оценивания температуры методом РАЗ в литературе уделяется значительное внимание. В 80-е годы данный вопрос обсуждался для случая, когда компенсация лучевой скорости ветра осуществляется по данным акустического локатора. Результаты этих исследований достаточно подробно представлены в.

Авторы Страут Р., May P. T были первыми, кто учел на практике при измерении температуры с помощью РАЗ-профилера вертикальное движение воздуха. Это стало возможным после разработки соответствующего спектрального процессора, позволяющего оценивать наряду с достаточно большим доплеровским сдвигом, порождаемым акустической волной, сравнительно малое значение доплеровской частоты, обусловленное ветром. Выполнение коррекции позволило значительно уменьшить расхождение между данными РАЗ и радиозонда.

Однако систематическое отклонение в результатах продолжает присутствовать: температура, полученная методом РАЗ, отличается от температуры, измеренной радиозондом на той же высоте.

В работе 10 предложен подход, позволяющий оценивать погрешности температурных измерений с помощью метода РАЗ, которые зависят от величины горизонтального ветра, положения акустического источника по отношению к антенне радара и от интенсивности турбулентности в нижней части зондируемого слоя.

В статье 32 анализируется составляющая ошибки, обусловленная различием в интенсивностях радиосигнала, рассеянного различными частями акустической посылки. Сигнал, полученный от нижней части пакета, является более интенсивным, чем от верхнего участка, и в результате измеренная с помощью РАЗ температура оказывается выше физической средней температуры в пределах интервала разрешения. Обсуждается также возможность дальнейшего уточнения коэффициента в формуле (1.6).

Способ четырех зондирований для определения температуры и полного вектора скорости ветра состоит в следующем. Последовательно производится зондирование атмосферы в четырех различных направлениях и решаются системы уравнений, полученные для совокупности выбранных высот, относительно температуры и трех составляющих скорости ветра. Геометрия метода четырех зондирований представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 — Схема зондирования в четырех направлениях

1, 2,3, 4 — направления зондирования.

Скорость распространения звука в -м направлении:

(1.7)

где — направляющие косинусы -го направления зондирования.

В матричном виде система уравнений имеет вид

(1.8)

где — вектор неизвестных;

.

Углы определяют направление зондирования.

Решение матричного уравнения позволяет получить значение температуры и составляющих скорости ветра [15]

. (1.9)

Методика зондирования в двух направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, позволяет приближенно оценить составляющие горизонтального ветра. Вертикальная составляющая ввиду ее малости при этом считается равной нулю.

Способ радиоакустического определения влажности основан на значительной зависимости коэффициента затухания звуковых волн от упругости водяного пара. Для определения влажности воздуха методом РАЗ требуется выполнить зондирование на двух акустических частотах, характеризующихся существенным различием в значениях. Измеряются амплитуды радиосигналов, рассеянных звуковыми волнами. Метод сложен в практической реализации и не обеспечивает хорошей точности в силу зависимости амплитуды отраженного радиосигнала от многих других параметров атмосферы: температуры; скорости ветра; параметров турбулентности.

Комбинированные системы РАС — РВП позволяют измерять скорость звука, скорость ветра и температуру, а также их флуктуации.

Важной характеристикой систем дистанционного зондирования атмосферы является их пространственное разрешение. В системах радиоакустического зондирования в случае измерения по проходу одного акустического импульса пространственное разрешение определяется продольным и поперечным размерами акустического пакета. При зондировании в нескольких направлениях значения метеовеличин находятся как средние для той части пространства, которая ограничена выбранными направлениями зондирования 5.

Кроме того, при последовательном зондировании в различных направлениях к разнесению измерений по пространству добавляется разнесение по времени. По этой причине таким способом можно измерять лишь средние по пространству и по времени значения метеовеличин. В некоторых задачах требуется измерение «мгновенных» значений метеовеличин вдоль заданного направления.

Получение профилей параметров атмосферы зондированием в нескольких направлениях требует также выполнения большого числа единичных измерений. Для зондирования в четырех направлениях их число определяется формулой, где — количество точек в профиле; - количество измерений в каждой точке для одного направления.

В условиях нестационарного протекания атмосферных процессов увеличение числа измерений с целью уменьшения ошибки после превышения некоторого интервала времени приведет к росту результирующей погрешности.

Ошибки, вызванные нестационарностью процессов в атмосфере, имеют место и при определении профиля полного вектора скорости ветра РВП путем зондирования в нескольких направлениях.

Максимальная дальность действия систем радиоакустического зондирования, построенных по основной схеме, в значительной степени ограничена действием горизонтального ветра. Это объясняется смещением пятна отраженных электромагнитных колебаний с апертуры приемной антенны.

Излученный в атмосферу акустический импульс переносится горизонтальным ветром, что приводит к изменению взаимного угла наклона фронтов акустической и электромагнитной волн. Отражение радиоволн от сферических волновых фронтов, созданных акустическим импульсом, является зеркальным. Следовательно, это приводит к перемещению пятна отраженных колебаний в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли. Величина перемещения является наибольшей при зондировании в направлениях, перпендикулярных вектору скорости горизонтального ветра 5. При зондировании в наклонных направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, проекция этого вектора на направление зондирования увеличивается, и смещение пятна уменьшается. Но даже при работе в этих направлениях энергетический потенциал системы, заложенный в акустическом и радиоканалах, реализуется далеко не полностью.

Так как в методике двух зондирований излучение осуществляется в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, то дальность при этом будет несколько выше, чем при четырех зондированиях 4.

Значительное влияние на дальность радиоакустического зондирования оказывают также следующие процессы: молекулярное поглощение энергии акустических волн во влажном воздухе; уменьшение интенсивности отраженного радиосигнала (в пятне) вследствие влияния турбулентности на акустический пакет.

В отличие от скорости ветра эти факторы определяют потенциальный «потолок» систем РАЗ и для заданного частотного диапазона влияние их на дальность зондирования уменьшить нельзя (заметим, что первое из этих ограничений может быть уменьшено соответствующим выбором частоты акустического сигнала). В реальных ветровых условиях сдвиг пятна превалирует над другими ограничивающими дальность факторами 4. Следовательно, естественным способом совершенствования основной схемы РАЗ является использование приемной дискретной антенны достаточно больших размеров, позволяющей принимать отраженный радиосигнал при сносе акустического пакета ветром.

Это увеличивает дальность действия системы, а дискретный характер антенны позволяет отслеживать движение пятна отраженного сигнала в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли (в плоскости приемной антенны).

Осуществляя измерение координат центра пятна и доплеровского сдвига частоты отраженного радиосигнала, можно восстановить профили скорости и направления горизонтального ветра по одной звуковой посылке, а при дополнительном измерении доплеровской частоты отраженного акустического сигнала еще определять вертикальную составляющую скорости ветра и температуру атмосферы.

Излучение акустического волнового пакета в наклонном направлении позволяет также определять при соответствующей обработке сигнала «мгновенные» значения указанных метеовеличин вдоль выбранного направления зондирования.

По результатам измерения составляющих скорости ветра можно вычислить модуль и направление вектора горизонтального ветра, а также определить такие важные для метеообеспечения взлета и посадки летательных аппаратов характеристики, как модуль и направление вектора вертикального сдвига горизонтального ветра.

1.6 Трудности на пути исследований

Отсутствие или недостаточное развитие методов анализа, обоснования и выбора зондирующих сигналов, а также исследования систем в целом чрезвычайно сузило диапазон возможностей, имеющихся в распоряжении разработчиков аппаратуры, и обусловило в конечном итоге небогатый набор известных структур систем, методик зондирования и небольшое число измеряемых метеопараметров.

Имеющееся положение обусловлено, видимо, тем, что ведущие позиции и научный авторитет в данном направлении (в вопросах зондирования атмосферы) принадлежит физикам-метеорологам и особенно радиофизикам, занимающимся вопросами распространения и рассеяния волн в атмосфере, среди которых такие известные имена как Обухов А. М., Татарский В. И., Каллистратова М. А., Кон А. И., Peters G. и др. Подавляющее большинство известных установок радиоакустического зондирования созданы под идейным руководством специалистов данного направления. Вопросы, связанные с проектированием аппаратуры, при этом решались в основном путем заимствования известных решений из радиолокации с учетом имеющихся особенностей радиоакустического зондирования.

Доминирующая точка зрения на РАС заложена еще основателями метода, которые предложили его сразу как практический и сформировали соответствующее к нему отношение. Первые неудачи, приведшие к «замораживанию» метода на десять лет, и последующие сложности в его освоении заставили более тщательно анализировать радиофизическую сторону метода: распространение акустической и электромагнитной волн в атмосфере и взаимодействие их между собой.

Однако отношение к аппаратуре осталось прежним на многие годы, «потребительским». Считается, что РАС — инструмент для измерений, область, на которую практически полностью переносятся представления классической радиолокации, «железо», которым должны заниматься инженеры. Об этом свидетельствует и анализ литературных источников: менее 10% всех публикаций в данной области посвящено аппаратурным вопросам. Причем в них, как правило, приводится только констатирующее описание существующих или вновь созданных станций, которые в значительной степени повторяют друг друга.

Отдельно в этом ряду стоят работы ученых ХНУРЭ [2], в которых системы РАЗ выступают как объект исследования. Учеными университета созданы основы построения доплеровских систем данного класса, предложены и исследованы различные схемы обработки сигналов, другие радиоустройства, а разработка и метрологическая аттестация методов измерения параметров атмосферы производится в этих работах с учетом не только геофизических, но и аппаратурных погрешностей.

В других коллективах, специализирующихся по вопросам зондирования атмосферы, инженеры, непосредственно занимающиеся разработкой и эксплуатацией аппаратуры, ограничены выполнением, как правило, только технических функций. Достаточная самостоятельность им предоставляется лишь в схемотехнических вопросах. Идейное руководство процессом проектирования и решающее слово при выборе принципов построения и структуры системы здесь принадлежат специалистам, занимающим ведущие (административные и научные) позиции в данных коллективах, профиль этих специалистов, как правило, не является «системным», т. е. не связан непосредственно с проектированием и разработкой радиоаппаратуры. Прежде всего, видимо, такое зависимое положение не позволило инженерам этих коллективов перевести часто встречающиеся в процессе проектирования и эксплуатации трудности и задачи практического характера на уровень задач научных.

С другой стороны, в силу естественного разделения научного труда радиофизики и геофизики также не готовы к выполнению подобных исследований, поскольку не обладают достаточными знаниями и кругозором в области радиосистем. Только этим обстоятельством можно объяснить, например, тот факт, что специалисты радиофизического направления, проанализировав первыми рассеяние звука и радиоволн на турбулентных неоднородностях среды, а также радиоволн на звуке, не увидели возможностей практической реализации теоретически изученных явлений в соответствующих локаторах, предназначенных для исследования атмосферы.

Таким образом, приходим к выводу, что имеющаяся теория радиоакустического зондирования не содержит в себе эффективных теоретических методов исследования расдаров, а теория оптимизации систем РАЗ существует настолько, насколько справедливы известные радиолокационные воззрения по отношению к этим системам.

Используемый экспериментальноэвристический подход в значительной степени предопределил достигнутые к настоящему времени успехи в развитии метода и систем РАЗ, однако он же и замедлил последующее развитие направления, поскольку далеко не все вопросы системного, технического характера в данной области можно эффективно решить таким путем в силу специфики РАЗ. Либо применяемые решения могут оказаться очень далекими от оптимальных.

1.7 Особенности метода РАЗ

Специфические особенности систем радиоакустического зондирования атмосферы обусловлены прежде всего особенностями использования в качестве радиолокационной цели такого необычного объекта как акустический волновой пакет. Для радиоволн данная цель является «частично прозрачным» частотно-зависимым объектом, имеющим когерентный характер распределения неоднородностей показателя преломления в продольном и поперечном направлениях, зависимости от продольной и поперечной координат могут быть адаптивным образом изменены при излучении. Объект радиолокационного наблюдения также сравнительно легко поддается воздействию атмосферных процессов и под их влиянием существенно изменяет свое местоположение, параметры движения и внутреннюю структуру.

Особенности объекта накладывают достаточно жесткие ограничения на структуру и параметры излучаемой радиоволны, с одной стороны, и порождают специфические свойства рассеянного радиосигнала — с другой: сигнал содержит когерентную и некогерентную составляющие; фокусируется определенным образом в пятно на поверхности земли и т. д.

При таком рассмотрении становятся очевидными требования, формируемые используемым рассеивающим объектом к радиопередающей и радиоприемной частям системы что выделяет РАС в специфический класс локационных систем.

В настоящее время применяют также развернутые комплексные системы, включающие в себя наряду со средствами дистанционного зондирования, основанными на различных принципах, работающими в различных частотных диапазонах и по различным методикам, и различную контактную аппаратуру, расположенную, в том числе, на носителях, способных поднимать ее над поверхностью земли. Из средств дистанционного зондирования при этом чаще всего используют содары, мини-содары, станции РАЗ, ветровые профилеры, лидары, спектрометры и радиометры.

2. Системы Радиоакустического зондирования

2.1 Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования

Принцип метода радиоакустического зондирования заключается в следующем. В атмосферу направленно излучается звуковой сигнал, который, распространяясь, взаимодействует с ней. Рассеянное неоднородностями или приходящее излучение принимается приемной антенной, и по его параметрам судят о характеристиках атмосферы.

Следовательно, основной набор элементов, необходимых для радиоакустического зондирования, содержит передающую систему для направленного излучения акустической энергии в заданную область атмосферы и чувствительную приемную систему для регистрации и обработки рассеянного сигнала.

По виду используемого излучения различают системы с импульсным и непрерывным излучением, которое может быть, например, частотно-модулированным. Импульсные системы зондирования удобны для измерений профилей атмосферных параметров, а системы с непрерывным излучением — для непрерывного контроля изменений параметров в исследуемом объеме атмосферы и характеризуются повышенной помехоустойчивостью.

Системы радиоакустического зондирования могут быть также одноканальными (один приемо-передающий канал), двухи трехканальными. Разделение приемо-передающих каналов может быть как пространственное, образованное многолучевой антенной системой с различной ориентацией диаграмм направленности (ДН), так и частотное. Естественно, подразумевается параллельная работа каналов. Многоканальными могут быть не только однопозиционные моностатические локаторы, но и многопозиционные. Например, бистатический локатор может быть одноканальным с раздельно работающими передатчиком и приемником и двухканальным с обратимым передатчиком. При измерениях скорости ветра, одно-, двухи трехканальные локаторы чаще всего называют одно-, двухи трехкомпонентными соответственно по числу одновременно измеряемых компонент вектора скорости ветра, а при многочастотном зондировании — одно-, двухи трехчастотными. Радиоакустические локаторы могут быть со сканированием (переключением) по углу — азимутальному или углу места для измерения профилей метеопараметров либо со сканированием по частоте — многочастные.