СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ
METHOD OF MEASURING VELOCITY FIELD

Изобретение относится к дистанционным измерениям векторного поля скоростей, например поля скоростей в жидкостях и газах.
Известен способ определения профиля проекций скоростей на направление измерений, основанный на излучении непрерывного немодулированного излучения на двух длинах волн, с различным ослаблением в среде распространения и получения информации о дальности по отношению спектральных плотностей доплеровского сигналов на этих длинах волн [1].
Недостатком данного метода являются требования монотонной зависимости проекции скорости от дальности.
Известен способ определения поля скоростей, основанный на измерении профиля отражаемости вдоль каждой трассы за счет излучения импульсного сигнала и одновременного измерения доплеровского спектра вдоль трассы непрерывной доплеровской системой с последующим вычислением зависимостей проекций скоростей рассеивателей на направление зондирования от дальности по взаимной корреляции между доплеровским спектром и распределением отражаемостей вдоль трассы зондирования.
Недостатком данного метода является необходимость зондирования трассы импульсным излучением и ограничение точности и пространственного разрешения длительностью импульсов.
Наиболее близким аналогом является томографический метод определения профиля ветра по интегральным доплеровским проекциям, полученным вдоль многообразия прямых, описанный в [3], в котором излучается непрерывное немодулированное излучение, регистрируются доплеровские спектры сигнала, рассеянного в обратном направлении, а информацию о высоте Н и соответствующей скорости V получают из сравнения мощности излучения, пришедшего от нижнего слоя рассеивателей с переменой высотой по формуле
где H - текущая высота,
V - текущая скорость, соответствующая текущей высоте,
F(h) - зависимость принимаемой мощности сигнала от высоты,
A - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измерительной системы,
S(ν) - спектральная плотность мощности регистрируемого доплеровского сигнала,
0
V - скорость ветра на высоте расположения измерительной системы (на нулевой высоте).
В данном соотношении коэффициент A определяется из условия нормировки по мощности сигнала вдоль всего луча зондирования.
Однако данный метод доплеровской томографии применим лишь при монотонной зависимости проекции измеряемой скорости от высоты V(H) и однородном распределении рассеивателей в пространстве. Он приводит к большим погрешностям при нарушении этих условий.
Технический результат предложенного способа заключается в повышении точности измерений за счет многократного повторения цикла измерений с задержкой не меньшей времени смены рассеивателей в области регистрации сигнала, получения распределения неоднородностей в пространстве методом реконстуктивной томографии для каждого цикла измерений по суммарной мощности доплеровских сигналов, полученных в различных направлениях зондирования, и определение поля скоростей по корреляции между распределением неоднородностей в пространстве и спектральной плотностью доплеровских сигналов.
В отличие от способа, предложенного в [3], в предлагаемом способе наличие неоднородностей является фактором, который улучшает точность восстановления поля скоростей.
На чертеже показана схема измерения двумерного поля скоростей в жидкости, протекающей в некоторой области, при использовании приемопередатчика, состоящего из набора источников излучения и приемников (доплеровский томограф).
Пример определения двумерного поля скоростей в жидкости, протекающей по некоторой области, представлен на чертеже. Область измерений 1 зондируется оптической системой, состоящей из набора приемо-передающих элементов 2, состоящих из источников и совмещенных приемников оптического когерентного излучения. Набор приемопередающих элементов формирует блок 3, проводящий регистрацию рассеянного неоднородностями 4 изучения вдоль набора параллельных прямых. Блок 3 может вращаться вокруг области 1, проводя цикл измерений на многообразии параллельных прямых. Предполагается, что один цикл измерений происходит за время, при котором смещением неоднородностей можно пренебречь.
При дистанционном зондировании сплошной среды сечение рассеяния в каждом элементе постранства за счет смены рассеивателей в потоке флуктуирует вокруг некоторого среднего значения. С периодичностью смены рассеивателей в зондируемой области цикл измерений повторяют. Для каждого цикла по мощности рассеянного излучения вдоль каждого луча (интеграла от доплеровских спектров) на основе преобразования Радона получают распределение неоднородностей в пространстве. В результате, для каждого цикла измерений получают набор доплеровских спектров вдоль многообразия прямых и профили отражаемости вдоль тех же прямых. А по корреляции между полем неоднородностей и доплеровскими спектрами определяют зависимость проекции скорости от координаты вдоль каждой прямой и все поле скоростей.
Изобретательский уровень предлагаемого технического решения подтверждается отличительной частью формулой изобретения.
Литература
1. Стерлядкин В.В. Авторское свидетельство СССР №1795372, кл. G01P 5/00, 1990.
2. Стерлядкин В.В. Патент №2032180, кл. G01P 5/00.
3. Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Доплеровская томография в радиолокационной метеорологии, Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т.26. №1. С.47-54. (прототип).