СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА
METHOD FOR REAL-TIME REMOTE DETERMINATION OF WIND SPEED AND DIRECTION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для оперативного дистанционного определения скорости и направления ветра.
Известны способы определения скорости газового потока и атмосферного ветра, основанные на регистрации (контактным или дистанционным методом) случайных реализаций сигналов в двух точках потока и дальнейшем анализе измеренных случайных реализаций или результатов их корреляционной обработки (см., например, [1-6]).
В большинстве случаев при проведении измерений скорости используются времена накопления информации в единицы и десятки минут. Во многих технических приложениях необходима более высокая оперативность в получении значений скорости и направления атмосферного ветра (десятки и единицы секунд).
Методы лазерного дистанционного зондирования атмосферы могут обеспечить необходимое сокращение времени накопления информации. При этом естественный путь заключается в использовании лидаров (импульсных лазерных локаторов) с малой измерительной базой [4-6].
1
2
1,2
1
2
1,2
1
2
2
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ оперативного дистанционного определения компонентов скорости ветра с помощью лидара [6], заключающийся в том, что атмосферу облучают двумя зондирующими пучками, регистрируют сигналы (мощности отраженного излучения) U(t) и U(t) от двух рассеивающих объемов 1 и 2 (см. фиг.1), расположенных поперек трассы, и определяют поперечную составляющую скорости ветра по положению максимума взаимно-корреляционной функции K(τ)=〈U(t)U(t+τ)〉 (или соответственно минимума взаимно-структурной функции S(τ)=〈[U(t)-U(t+τ)]〉) этих сигналов; регистрируют сигналы из рассеивающих объемов, расположенных вдоль трассы, и определяют продольную составляющую скорости ветра по положению максимума взаимно-корреляционной функции (или минимума взаимно-структурной функции) сигналов, измеренных через интервал времени.
Недостаток способа [6] - большие ошибки при оперативных дистанционных определениях скорости и направления ветра.
Задача предлагаемого способа - существенное повышение точности оперативных дистанционных определений скорости и направления ветра.
min
1,i
1
i
1
i
2
Повысить точность можно тем, что атмосферу зондируют двумя импульсными лазерными пучками, распространяющимися с малым (до 10 угловых градусов) угловым расстоянием между ними, регистрируют сигналы от рассеивающих объемов в атмосфере, облучение атмосферы осуществляют короткими лазерными импульсами с длительностью , определяемой минимальным расстоянием d между рассеивающими объемами в атмосфере и скоростью света С, при этом количество рассеивающих объемов n>2 выбирают исходя из требуемой угловой точности Δφ определения направления ветра: , определяют минимальные значения  взаимно-структурных функций S(τ)=〈[U(t)-U(t+τ)]〉 между сигналом (мощностью отраженного излучения) U(t) от рассеивающего объема 1 первого пучка и сигналами (мощностями отраженного излучения) U(t), i=2…n от рассеивающих объемов 2…i…n второго пучка, принимают за направление ветра направление между рассеивающим объемом 1 и рассеивающим объемом с наименьшим минимальным значением  взаимно-структурной функции, определяют величину и знак скорости ветра по временному положению минимума взаимно-структурной функции сигналов для этих рассеивающих объемов и по расстоянию между этими объемами.
Чертежи
Фиг.1 - прототипная схема измерения (n=2).
Фиг.2 - частный случай схемы измерения для предлагаемого способа (n=4).
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Лидар содержит лазерный источник излучения, передающую оптическую систему, приемную оптическую систему, фотоприемник и блок обработки.
п
п
Излучение лазерного источника проходит передающую оптическую систему, которая формирует два импульсных зондирующих пучка, распространяющихся в атмосфере с малым (до 10 угловых градусов) угловым расстоянием между ними (в частном случае это могут быть два параллельных пучка с расстоянием d между ними, для оперативных определений скорости и направления ветра на горизонтальной трассе d должна быть порядка 1 м).
Аэрозоль, всегда содержащийся в атмосфере, рассеивает излучение в сторону лидара. Поперечные размеры рассеивающих объемов в аэрозольной атмосфере для каждого лазерного пучка определяются углом расходимости зондирующих пучков и их расстоянием от лидара, а продольные определяются длительностью импульса τ источника излучения и скоростью света С и равны .
min
Облучение атмосферы должно осуществляться короткими лазерными импульсами с длительностью , определяемой минимальным расстоянием d между рассеивающими объемами вдоль пучка с тем, чтобы импульсные сигналы из разных объемов не накладывались друг на друга.
Принимаемое излучение проходит через приемную оптическую систему, регистрируется фотоприемником и поступает в блок обработки для определения направления и величины скорости ветра.
В блоке обработки лидара проводят последовательно следующие операции:
н
1,i
1
i
1
i
2
1. Определяют (по результатам измерений в течение времени наблюдения t) взаимно-структурные функции S(τ)=〈[U(t)-U(t+τ)]〉 между сигналом U(t) из рассеивающего объема 1 и сигналами U(t) из рассеивающих объемов 2…i…n
i
1,i
2. Определяют положение минимумов τ взаимно-структурных функций S(τ), i=2…n и значения  этих взаимно-структурных функций в их минимумах.
3. Определяют минимальное (среди найденных значений ) значение .
4. За направление атмосферного ветра принимают направление между рассеивающим объемом 1 и объемом imin с наименьшим минимальным значением .
imin
1,i min
1
i min
2
5. Величину и знак скорости ветра определяют по положению τ минимума взаимно-структурной функции S(τ)=〈[U(t)-U(t+τ)]〉 между сигналами из рассеивающего объема 1 и объема imin:
,
где d - расстояние между рассеивающим объемом 1 и рассеивающим объемом i min (с наименьшим минимальным значением ).
В результате работы блока обработки лидара формируется (с заданной пространственной дискретностью) массив данных о величине и направлении атмосферного ветра вдоль трассы зондирования.
Для оценки работоспособности и точности предлагаемого способа оперативного определения скорости и направления атмосферного ветра проводилось математическое моделирование.
Математическое моделирование проводилось с помощью комплекса программ (созданного в пакете LabView), имитирующих работу лазерного измерителя скорости и направления атмосферного ветра. Комплекс включает в себя блоки моделирования двумерных полей аэрозольных неоднородностей, учета флуктуации пропускания атмосферы до зондируемых рассеивающих объемов, расчета принимаемых лазерных сигналов от рассеивающих объемов атмосферы.
Результаты математического моделирования для различных направлений атмосферного ветра представлены в табл. 1 и 2.
В табл. 1 представлены абсолютные (в м/с) ошибки определения модуля скорости ветра, в табл. 2 - абсолютные (в градусах) ошибки определения направления ветра. Обозначения в табл.: 1 - корреляционный метод определения скорости и направления ветра (схема измерения фиг.1); 2 - та же схема измерения, но при обработке использовались не корреляционные, а структурные функции; 3 - описанный способ, схема измерения фиг.2. В табл. 1 и 2 представлены средние ошибки по 50 реализациям принимаемых сигналов. Время измерения составляло 5 с. Частота повторения лазерных импульсов (в каждом канале) 50 Гц. Для результатов, представленных в табл., значение модуля скорости ветра задавалось равным 3 м/с. Задаваемые при математическом моделировании параметры атмосферных неоднородностей соответствовали условиям приземного слоя атмосферы.
Таблица 1
Абсолютные ошибки определения скорости ветра, м/с
Способ
Направление атмосферного ветра
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
1
2.47
2.20
2.12
2.44
2.47
2.83
2.95
3.10
2.20
2.07
2
0.83
1.07
0.89
0.90
0.70
0.81
0.85
0.97
1.21
0.87
<b>3</b>
<b>0.12</b>
<b>0.19</b>
<b>0.43</b>
<b>0.34</b>
<b>0.11</b>
<b>0.10</b>
<b>0.37</b>
<b>0.35</b>
<b>0.14</b>
<b>0.06</b>
Таблица 2
Абсолютные ошибки определения направления ветра, град
Способ
Направление атмосферного ветра
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
1
104.3
87.5
84.2
80.1
84
78.7
67.6
70.7
67
73.6
2
41.2
46.7
45.2
45.1
33.7
38.2
41.2
39.0
48.1
36.6
<b>3</b>
<b>0</b>
<b>10</b>
<b>22.9</b>
<b>16.5</b>
<b>5</b>
<b>5</b>
<b>20.4</b>
<b>23.3</b>
<b>10</b>
<b>0</b>
Результаты математического моделирования показывают, что описанный способ позволяет существенно уменьшить ошибки определения величины и направления ветра.
Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить существенное увеличение точности оперативных дистанционных определений скорости и направления ветра.
Источники информации
1. Заявка РСТ WO 2005/047908. Optical device and method for sensing multiphase flow. International Publication Date 26.05.2005. International Patent Classification G01P 5/22.
2. Заявка РСТ WO 2006/063463. Optical transit time velocimeter. International Publication Date 22.06.2006. International Patent Classification G01P 5/20, G01P 5/26.
3. Armstrong R.L., Mason J.B., Barber T. Detection of atmospheric aerosol flow using a transit-time lidar velocimeter // Applied Optics. - 1976. - V.15. - N 11. - P.2891-2895.
4. Применение корреляционных методов в атмосферной оптике / В.М.Орлов, Г.Г.Матвиенко., И.В.Самохвалов и др. - Новосибирск: Наука, 1983. - 160 с.
5. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Г.Г.Матвиенко., Г.О.Заде, Э.С.Фердинандов и др. - Новосибирск: Наука, 1985. - 223 с.
6. Матвиенко Г.Г., Самохвалов И.В., B.C.Рыбалко и др. Оперативное определение компонентов скорости ветра с помощью лидара // Оптика атмосферы и океана. - 1988. - T.1. - N2. - С.68-72.