УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АТМОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

Полезная модель относится к метеорологии, конкретно к устройствам обработки сигналов атмосферной турбулентности в доплеровских акустических локаторах мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое.
Известны устройства для обработки сигналов атмосферной турбулентности (Beran, D. W., B.C.Willmarth, F.С.Carsey, and F.F.Hall, Jr. 1974: An acoustic Doppler wind measuring system, J. Acoust.Soc.Amer., 55, 334-338; Гладких В.А., Макиенко А.Э., Федоров В.А. Акустический доплеровский локатор Волна-3 // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т.12, 5. С.437-444; Красненко Н.П. \Кудрявцев А.Н. \Мананко Е.Е. \Стафеев П.Г. 2006: Акустический локатор "ЗВУК-3" для зондирования атмосферы. Приборы и технические инструменты, vol: 2006, num: 6, 144-145, published: 01 January 2006; US 4573352, МПК G01W 1/00, 1986), основанные на использовании ЭВМ для обработки результатов зондирования атмосферы акустическим локатором (содаром).
Наиболее близким из известных по назначению и технической сущности является устройство для обработки сигналов атмосферной турбулентности (US 4573352, МПК G01W 1/00, 1986), включающее ЭВМ и содержащее установленные на двунаправленной активной шине сопряжения (материнской плате) центральный процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), видеокарту для соединения с дисплеем, звуковую карту для соединения с приемопередающим устройством акустического локатора и блок управления частотой следования импульсов зондирования в каналах одночастотного акустического локатора. При этом звуковая карта выполнена с возможностью преобразования одночастотных аналоговых эхосигналов сигналов в цифровую форму. Блок управления частотой следования импульсов зондирования выполнен в виде генератора синхроимульсов с цифровым входом.
Однако из-за одночастотной обработки эхосигналов, точность измерения устройства недостаточно высокая.
Технической задачей полезной модели является повышение точности измерения сигналов атмосферной турбулентности.
Техническим результатом является повышение статистической обеспеченности экспериментальных данных.
Достижение технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, устройство для обработки сигналов атмосферной турбулентности, выполненное в виде ЭВМ и включающее установленные на двунаправленной активной шине сопряжения центральный процессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, видеокарту для соединения с дисплеем и звуковую карту для соединения с приемопередающим устройством акустического локатора. Согласно полезной модели устройство дополнительно содержит цифровой задающий генератор многочастотных акустических сигналов, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство для ввода/вывода и хранения программ обработки сигнальной информации, при этом звуковая карта выполнена стереофонической и с возможностью многоканальной передачи и приема многочастотных сигналов, а задающий генератор многочастотных акустических сигналов - в виде многочастотного цифрового модуля с разъемами для его установки на шине сопряжения и соединения его сигнального выхода с сигнальным входом звуковой карты и/или в виде программы генерации многочастотных звуковых сигналов, введенную в память перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства. Кроме того, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство встроено в ЭВМ или выполнено в виде съемной памяти, а программа обработки сигнальной информации включает 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.
Введение цифрового задающего генератора многочастотных акустических сигналов, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) для ввода/вывода и хранения программ обработки сигнальной информации, а также выполнение звуковой карты стереофонической и с возможностью многоканальной передачи и приема многочастотных сигналов с задающим генератором многочастотных акустических сигналов, выполненным в виде многочастотного цифрового модуля, снабженного разъемом для его установки на шине сопряжения и/или в виде программы генерации многочастотных звуковых сигналов, введенную в память ППЗУ, снабженную программой оптимальной обработки многочастотных сигналов, позволяют использовать ряд частот в пределах одной посылки зондирующего импульса и некогерентное осреднение эхо-сигнала по ансамблю частот. В свою очередь указанные технические преимущества обеспечивают расширение статистической обеспеченности измерений без ухудшения разрешения по времени и, как следствие, - достижение поставленной технической задачи, заключающейся в повышении помехоустойчивости и точности измерений скорости ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для обработки сигналов атмосферной турбулентности; на фиг.2 и на фиг.3 - соответственно принцип одно и трех частотного зондирования атмосферы в координатах высота - время; на фиг.4 - гистограммы отношения мощностей в сигнальной и шумовой полосах, полученных различными алгоритмами в отсутствие полезного сигнала, для одночастотного и восьмичастотного режимов излучения; на фиг.5 - высотное распределение отношения мощностей эхо-сигнала в сигнальной и шумовой полосах одночастотного и восьмичастотного измерений, полученное при полевых испытаниях для часовой серии измерений.
Устройство 1 для обработки сигналов атмосферной турбулентности выполнено в виде ЭВМ и содержит установленные на двунаправленной активной шине 2 сопряжения (материнской плате с электрическими разъемами) центральный процессор 3, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5 для хранения баз данных и констант, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 6 для ввода/вывода и хранения программ обработки сигнальной информации, видеокарту 7 для соединения с дисплеем, цифровой задающий генератор 8 многочастотных акустических сигналов и звуковую стереофоническую карту 9 для преобразования цифровых сигналов генератора 8 в аналоговую форму и для преобразования аналоговых эхосигналов в цифровую форму. Генератор 8 многочастотных акустических сигналов выполнен в виде многочастотного цифрового модуля, снабженного разъемом для его установки на шине сопряжения и/или в виде программы генерации многочастотных звуковых сигналов, введенной в память ППЗУ 6, снабженную электрическим разъемом для соединения с шиной 2 сопряжения. ППЗУ 6 для ввода/вывода и хранения программ обработки сигнальной информации, может быть выполнено в виде съемной Флэш-памяти Kingston и/или внешних дисков памяти WD с USB 2,0 - интерфейсом. Программа обработки сигнальной информации содержит 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. Стереофоническая звуковая карта 9 содержит блок цифроаналоговых преобразователей сигналов генератора 8 в звуковой сигнал, блок аналого-цифровых преобразователей принятых эхосигналов и блок цифровых фильтров с полосой частот, обеспечивающей регистрацию максимальных допплеровских сдвигов зондирующих сигналов, в диапазоне не менее 10% от несущей частоты зондирующего сигнала.
Устройство 1 для обработки сигналов атмосферной турбулентности предназначено для измерений профилей средней скорости и направления ветра, а также профилей характеристик динамической и температурной турбулентности ветра в атмосферном пограничном слое по известным характеристикам зондирующих сигналов и измеренным значениям характеристик ответных (отраженных от неоднородностей атмосферы) сигналов метеорологического акустического локатора (содара) и работает следующим образом.
Включение сонара автоматически приводит к подаче через соответствующие электронные коммутаторы (на фигурах не показано) электропитания на устройство 1. При этом центральный процессор 3 загружает в ОЗУ 4 из ПЗУ 5 константы, а также постоянные исходные данные и постоянное программное обеспечение для управления измерением турбулентности атмосферы и из ППЗУ 6 - переменные исходные данные и программы, связанные с местоположением сонара и особенностями метеоусловий в месте измерений. После загрузки ОЗУ 4 устройство 1 переходит в режим измерений метеорологических параметров атмосферы в соответствии с введенными в ОЗУ 4 программами и параметрами измерений. При этом по командам управления с процессора 3 генератор 8 генерирует в цифровой форме одно или много частотные импульсные зондирующие сигналы с заданным процессором 3 периодом следования. Эти сигналы поступают на сигнальный вход звуковой карты 9 и через двунаправленную шину 2 в соответствующие ячейки памяти ОЗУ 4 временного хранения параметров зондирующих сигналов. Звуковая карта преобразует принятый сигнал генератора 8 в цифровую форму и передает его на приемопередатчик сонара для усиления и излучения в атмосферу акустических импульсов под различными углами зондирования. Отраженный от границ различной плотности турбулентности эхосигнал принимается антенной сонара, усиливается его микрофонным усилителем (на фигурах не показано) и передается на аналоговый вход звуковой карты 9. Звуковая карта 9 преобразует принятый эхосигнал в цифровую форму и через шину 2 передает ее в соответствующие ячейки ОЗУ 4 временного хранения параметров эхосигнала. Одновременно с управлением зондированием и приемом эхосигналов процессор 3 в асинхронном режиме производит измерение метеорологических параметров атмосферы и вывод параметров измерений на дисплей для регистрации и визуального наблюдения.
Измерение основано на измерении доплеровского сдвига несущей частоты эхо-сигнала, рассеянного на переносимых ветром турбулентных неоднородностях, относительно несущей частоты излучаемого зондирующего сигнала. Проекция скорости ветра на направление оси звукового луча моностатического сонара Vr определяется выражением
0
Vr=c(fr-f0)/2f,
Где:
с - скорость звука в рассеивающем объеме;
0
f - частота излучаемого сигнала.
1
1
2
2
2
3
3
2
2
1
сигн
шум
сигн
шум
Излучение и прием сигнала в трех направлениях, одном вертикальном и двух наклонных, позволяет определить полный вектор скорости. Цифровая генерация зондирующих сигналов позволяет задействовать одну несущую частоту генератора 8 для всех антенн сонара, либо использовать различные частоты для разных антенн, либо выбор между несколькими частотами для различных задач или различных внешних условий. При одночастотном зондировании антенна сонара излучает короткий импульс, заполненный несущей частотой генератора 1, а затем принимает сигнал в некоторой полосе вокруг этой частоты. При этом эхо-сигнал идентифицируется по частоте. Такой способ хорошо работает при большом соотношении сигнал/шум. В условиях помех повышение точности измерений скорости ветра и без ухудшения разрешения по времени целесообразно использовать несколько частот (преобразованных звуковой картой 8 в аналоговую форму) генератора 7, в пределах одной посылки зондирующего импульса и последующее некогерентное осреднение эхо-сигнала по ансамблю частот. В условиях помех процессор 3 производит накопление в ОЗУ 4 спектров сигнала по серии зондирующих импульсов, но при этом теряется разрешение по времени. Альтернативой служит многочастотный метод зондирования, при котором соответствующей программой обзора пространства, заложенной в память ППЗУ 6, генератор 8 генерирует многочастотный сигнал в цифровой форме, звуковая карта 9 преобразует этот сигнал в аналоговый и выдает его на усилитель сонара, антенна которого излучает сразу серию импульсов на разных частотах, после чего переключается на прием. Отклик на каждый из последовательно излученных на различных частотах импульсов приходит с соответствующей задержкой. Для первого высотного интервала удается получить отклик только на последний из излученных импульсов, поскольку во время прихода остальных антенна находится в режиме излучения. Со второго высотного интервала приходит отклик на два последних импульса в серии и т.д. Начиная с некоторой высоты можно получить отклик на все импульсы в серии. Поскольку серия достаточно короткая (порядка 0,5 с) по сравнению с характерными временами на масштабах порядка высотного интервала зондирования (10 м), можно считать, что свойства зондируемой области на протяжении серии не меняются. Это позволяет повысить надежность измерений, по сравнению с одночастотной методикой без потери высокого разрешения по времени при помощи осреднения получаемых спектров по ансамблю частот. Чтобы проиллюстрировать работу предлагаемого устройства рассмотрим сначала единичный цикл одночастотного зондирования в координатах высота-время (фиг.2). Излучают зондирующий звуковой импульс длительностью τ на несущей частоте f. Звуковой импульс распространяется вверх со скоростью звука с=dz/dt, часть его акустической энергии рассеивается в атмосфере, а часть отражается назад и принимается той же антенной в виде эхо-сигнала. После окончания излучения и завершения переходного процесса в электроакустическом преобразователе начинается прием отраженного сигнала. В момент времени t приходит сигнал с интервала высот от h до h. В момент t приходит сигнал с интервала высот от h до h и т.д. Вертикальное разрешение сонара Δh лимитируется пространственной протяженностью зондирующего импульса Δh=сτ/2. Наилучшее возможное пространственное разрешение Δh=h-h=h-h=cτ/2. Если перед приемом эхо-сигнала сонар последовательно излучает n зондирующих импульсов длительностью τ на разных частотах, то эхо-сигнал на всех этих частотах придет на антенну одновременно (фиг.3). На фиг.3 изображено то же, что на фиг.2, но для многочастотного зондирования (для числа частот n=3). Это увеличивает длительность цикла зондирования по сравнению с одночастотной до значения (n=1)τ, но зато дает n независимых эхо-сигналов с выше расположенных высотных интервалов, откуда поступают более слабые эхо-сигналы. В каждый момент времени сигнал поступает на всех излученных частотах. Поскольку прием начинается лишь после излучения последней из набора частот (f1), то с самого нижнего уровня отклик получается только на этой частоте. Со второго высотного интервала отклик поступит уже на двух частотах (f1 и f2). Начиная с некоторого высотного интервала (в рассматриваемом случае с третьего) можно получить отклик на всех используемых частотах. Эти отклики, в виде аналоговых эхо-сигналов, принимаются антенной сонара, усиливаются его микрофонным усилителем (на фигурах не показано), преобразуются звуковой картой 9 в цифровой сигнал и через шину 2 подаются на ОЗУ и записываются в его памяти. Процессор 2 с заданной тактовой частотой и программой ППЗУ 6 производит осреднение спектров, соответствующих данному высотному интервалу, от серии импульсов. Для каждого импульса рассчитывается спектр мощности с использованием окна Ханнинга на избыточной сетке частот, после чего все спектры приводятся к единой сетке доплеровских сдвигов. Итоговый спектр получается как среднее геометрическое отдельных спектров. Обработка полученного спектра происходит так же, как и в одночастотном варианте: в спектре находится максимум, после чего определяется мощность сигнала в окрестности этого максимума (сигнальная полоса) и в двух соседних полосах (шумовая полоса). Отбраковка зашумленных сигналов производится по отношению мощностей в сигнальной и шумовой полосах усредненного спектра, так же, как в и одночастотном варианте. Показателем эффективности измерения является уменьшение отношения мощностей чисто шумового сигнала в сигнальной и в шумовой полосах приема N/N. На фиг.4-5 представлены результаты опытных измерений в полевых условиях. На фиг.4 представлены гистограммы отношения мощностей в сигнальной и шумовой полосах, полученных различными алгоритмами в отсутствие полезного сигнала, для одночастотного и восьмичастотного режимов излучения. На фиг.5 высотное распределение отношения мощностей эхо-сигнала в сигнальной и шумовой полосах одночастотного и восьмичастотного сонара, полученное при полевых испытаниях для часовой серии измерений. Жирные линии - медианные значения, тонкие линии - квартили распределения S/N. Из данных измерений, представленных на фиг.4 и 5 видно, что действительно, гистограмма при многочастотной обработке более узкая, и ее максимум расположен ближе к «идеальному» значению N/N. Таким образом, качество отбраковки данных при использования многочастотного зондирующего импульса улучшается. Приведены гистограммы отношений мощностей в сигнальной и шумовой полосах для сигнала, записанного при обработке его одночастотным алгоритмом (частота 4.1 кГц, разрешение по высоте 10 метров) и многочастотным алгоритмом (8 частот: 3.32, 3.46, 3.58, 3.66, 3.76, 3.9, 4.02 и 4.13 кГц). Для одночастотной моды использовалась лишь последняя из набора излучаемых частот. Эти гистограммы отражают случайные ошибки оценки отношения сигнал-шум при использовании каждой из этих двух мод. Разброс значений отношения сигнал/шум связан с естественными ошибками спектральных оценок на коротких реализациях. Распределение этих ошибок практически Гауссово. Для одночастотного алгоритма среднее отношение сигнал/шум составляет 1.2 дБ со среднеквадратичным отклонением 2.3 дБ. Для многочастотного алгоритма эти параметры составляют 0.3 дБ и 1.1 дБ соответственно. Если принять допустимым 5% ошибочных данных, то надо установить порог отбраковки около 5 дБ для одночастотного алгоритма и 2 дБ для восьмичастотного. Таким образом, многочастотный алгоритм позволяет надежно принимать вдвое более слабый эхо-сигнал и тем самым удвоить эффективную чувствительность сонара. Улучшение вызвано не повышением реального отношения сигнал/шум, а повышением точности оценок принятой интенсивности в сигнальной и шумовой полосах. Пример вертикальных профилей отношения S/N, измеренного в реальной атмосфере при слабой интенсивности обратного рассеяния, показан на рис.5. В обоих режимах работы длительность импульса составляла τ=50 мс, а излучаемая акустическая мощность составляла 1 Вт. Расстояние между квартилями соответствует ширине распределения на соответствующей высоте. На нижнем высотном уровне зондирования обработка дает одинаковые результаты для двух мод, поскольку для нижнего уровня эти моды эквивалентны. В одночастотном режиме при увеличении высоты отношение S/N сразу начинает уменьшаться. Этого не происходит в многочастотном режиме, поскольку с увеличением высоты количество данных увеличивается за счет добавления дополнительных частот. Начиная с высоты 90 м, весь набор частот дает вклад в результаты зондирования, и отношение S/N начинает уменьшаться. Для больших высот для обоих режимов S/N уменьшается до значения, соответствующего отсутствию эхо-сигнала. Если принять выше предложенные критерии для отбраковки зашумленных сигналов, то, как видно из рис.5, в случае одночастотного режима верхний уровень 25% и 50% надежности данных составляет 50 и 100 метров над подстилающей поверхностью, а для многочастотного режима - 160 и 180 м, соответственно. Таким образом, заявленный технический результат и, как следствие, решение поставленной задачи, заключающейся в повышение помехоустойчивости и точности измерений скорости ветра путем повышения статистической обеспеченности экспериментальных данных без ухудшения разрешения по времени, достигается.
Устройство обработки сигналов атмосферной турбулентности в доплеровских акустических локаторах мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое не ограничивается вышеприведенным примером его исполнения. В рамках данной полезной модели возможны и другие варианты рационального ее исполнения. Так звуковая карта 9 и цифровой генератор 8 могут быть вынесены из корпуса ЭВМ 1 и установлены в корпусе приемопередатчика сонара.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения и опытных образцов.