Метеорологический акустический доплеровский локатор со звукопрозрачным куполом

Полезная модель относится к области метеорологии и может использоваться  для оперативной дистанционной диагностики высотно-временной структуры области интенсивного турбулентного теплообмена в нижнем слое атмосферы, измерения профилей скорости и направления ветра, профилей структурной характеристики температуры воздуха в режиме  реального времени. Особенностью данного локатора является его улучшенные эксплуатационные свойства в условиях атмосферных осадков.
Известен доплеровский акустический локатор патент US 4573352 для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое. Содержит три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи. Одна антенна ориентирована вертикально, а две с угловым отклонением от вертикали. Электроакустические преобразователи соединены через приемопередающее устройство. Устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея. Приемо-передающее устройство является одноканальным и реализует функцию последовательного излучение импульса и приёма отражённого эхосигнала каждой из антенн. Задающий генератор звуковых частот выполнен в виде аналоговой схемы.
Недостатками этого устройства является ограниченное использование его в условиях атмосферных осадков связанное с незащищённостью приёмо-передающих антенн от осадков, которые попадая в антенны и накапливаясь там, ослабляют способность антенн концентрировать и усиливать принимаемый сигнал.
Также известен метеорологический акустический доплеровский локатор «ВОЛНА-3» (Гладких В.А., Макиенко А.Э., Федоров В.А. Акустический доплеровский локатор «Волна-3». // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 05. С. 437-444). Он содержит три приёмо-передающие антенны, выполненные на основе параболических рефлекторов с шумозащитными конусами. Электроакустический преобразователь представляет собой сумматор акустической мощности от четырёх электродинамических преобразователей нагруженный на свёрнутый рупор, раскрыв которого расположен в фокусах параболических рефлекторов. Одна антенна ориентирована вертикально, две другие под углом 20 градусов от вертикали. Антенны соединены через переключатель приём-передача с блоком аналоговой обработки сигналов и с усилителем мощности. Каждый канал работает в последовательном моностатическом импульсном режиме. Блок аналоговой обработки, состоящий из входного усилителя эхосигналов и полосового фильтра через контроллер, имеющий в своём составе АЦП, ЦАП, цифровые TTL выходы соединен с блоком управления и статистической обработки звуковых эхосигналов, выполненный в виде ЭВМ. Блок управления и статистической обработки соединено с дисплеем, на который выводит амплитудно-высотные распределения принятых эхосигналов прошедших цифровую фильтрацию, ветровое поле отражающее распределение скорости и направление ветра по высотам над точкой измерения. Скорость ветра определяется по доплеровскому сдвигу частоты принятого эхосигнала относительно излучаемой. Излучаемые импульсы с частотным заполнением формируются в блоке управления и статистической обработки и через ЦАП контроллера подаются на усилитель мощности.
Недостатком аналога является ограниченное использование его в условиях атмосферных осадков связанное с незащищённостью приёмо-передающих антенн от осадков, которые попадая в антенны и накапливаясь там, ослабляют способность антенн концентрировать и усиливать принимаемый сигнал.
В качестве прототипа выбран метеорологический акустический локатор Патент RU 173822. Прототип содержит три приемо-передающие антенны, выполненные на основе параболических рефлекторов с шумозащитными конусами, соединенные через электроакустические преобразователи, каждый из которых представляет собой четыре динамических излучателя, соединенных через сумматор акустической мощности со свернутым рупором, раскрыв которого расположен в фокусах параболических рефлекторов, электромеханические коммутаторы прием-передача, блоки аналоговой обработки, блок управления и статистической обработки принятых звуковых эхосигналов с блоком отображения параметров ветрового поля и атмосферных турбулентностей, причем одна антенна ориентирована вертикально, две другие - под углом 20 градусов от вертикали, датчики интенсивности излучаемого звукового импульса, соединенные через АЦП и блок управления и статистической обработки с дисплеем, усилитель мощности, соединенный по входу с ЦАП, а по выходу с электроакустическим преобразователем через электромеханический коммутатор прием-передача, отличающийся тем, что в параболические рефлекторы приемо-передающих антенн встроены датчики интенсивности излучаемых импульсов, причем каждый датчик с платой термостабилизации расположен в термоизолированном корпусе, приемо-передающий тракт выполнен трехканальным, и каждый канал содержит электромеханический коммутатор прием-передача и блок аналоговой обработки эхосигналов, при этом рабочие частотные диапазоны каналов идентичны, предварительный усилитель выполнен сверхмалошумящим с защитой по входу от перенапряжения, по выходам блоки аналоговой обработки соединены с сигма-дельта АЦП, который выполнен 24-битным с параллельными независимыми каналами и соединен с блоком управления и статистической обработки, в котором реализован параллельный режим ввода-вывода многочастотных сигналов из рабочего частотного диапазона акустического локатора, усилитель мощности выполнен трехканальным и по выходу соединен с электромеханическими коммутаторами прием-передача. К недостаткам прототипа относится ограниченное использование его в условиях атмосферных осадков связанное с незащищённостью приёмо-передающих антенн от осадков, которые попадая в антенны и накапливаясь там, ослабляют способность антенн концентрировать и усиливать принимаемый сигнал.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение эксплуатационных свойств акустического локатора увеличивающих время его работы в условиях атмосферных осадков и упрощающих его обслуживание. При эксплуатации содаров, антенны не защищены от попадания внутрь мелких частиц, листьев, мусора которые, при попадании на поверхность параболического рефлектора могут закрыть сливное отверстие, предназначенное для отвода дождевой воды, которая накапливаясь в параболоиде, снижает способность антенны принимать эхосигналы из атмосферы. В зимнее время года в антенны попадает  снег, который также, снижает высотный потенциал зондирования, а по мере его накопления приводит к невозможности зондирования. В существующих содарных системах на основе параболических рефлекторов эти проблемы решаются дополнительным обслуживанием антенных систем, путем механической очистки рабочей поверхности параболического рефлектора от посторонних частиц препятствующих сливу дождевой воды, а в зимнее время, удалением снега попавшего внутрь антенны. На это время содар отключают.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является применение звукопрозрачного купола, покрывающего раскрыв шумозащитного конуса. Таким образом, антенны акустического локатора защищены от попадания внутрь мелких частиц, листьев, мусора, а в зимнее время года звукопрозрачный купол защищает антенны от попадания внутрь снега. Сферическая форма звукопрозрачного купола не позволяет задерживаться снегу на поверхности. Ветер сдувает снег, падающий на поверхность. При отсутствии защищающего звукопрозрачного купола в данных условиях возникла бы необходимость очищать внутреннюю поверхность антенн от льда и снега, что является более трудозатратным процессом.
На фигуре 1 представлена функциональная схема метеорологического акустического доплеровского локатора, на фигуре 2 - приёмо-передающая антенна данного локатора с установленным звукопрозрачным куполом, на фигуре 3 представлена конструкция металлического каркаса звукопрозрачного купола, на фигуре 4 представлен звупопрозрачный купол, установленный на приемо-передающей антенне.
Метеорологический акустический доплеровский локатор фиг.1 содержит три приёмо-передающие антенны 1, 2, 3 с электроакустическими преобразователями 4, соединенные через электромеханический коммутатор приём/передача 5 с блоком аналоговой обработки 7 содержащий три идентичных канала включающие сверхмалошумящий интегральный усилитель 6 и полосовой фильтр 20, рассчитанный на рабочую полосу частот локатора. Блок аналоговой обработки соединен через 24-х битное АЦП 8 с блоком управления и статистической обработки 9, которое связано с блоком отображения параметров ветрового поля и атмосферной турбулентности 10. Датчики, регистрирующие интенсивность излучаемого импульса со схемой термостабилизации размещены в герметичном корпусе 11 и встроены в параболические рефлекторы 16 антенн 1, 2, 3.Они соединены через АЦП 12 с блоком управления и статистической обработки 9. ЦАП 14 соединен через трёхканальный усилитель мощности 13 и электромеханический коммутатор 5 с антеннами 1, 2, 3.
Каждая из приёмо-передающих антенн (фиг.2) метеорологического акустического доплеровского локатора состоит из параболического рефлектора 17, шумозащитного конуса 15, звукопрозрачного купола 21, электроакустического преобразователя состоящего из четырёх динамических излучателей 19, соединенных через сумматор акустической мощности 18 со свёрнутым рупором 16, раскрыв которого расположен в фокусах параболических рефлекторов. Четыре динамических излучателя электрически соединены последовательно.
Звукопрозрачный купол 21 имеет сферическую форму и состоит из жесткого металлического каркаса, выполненного из стальной проволоки диаметром 5мм, пластиковой сетки, покрывающей металлический каркас и звукопрозрачной ткани, сшитой в форме купола. Звукопрозрачный купол является неотъемлемой частью локатора. Металлический каркас (фиг. 3) формируется пятью стальными кольцами с разными диаметрами, которые соединяются дугами, формирующими купол. Пластиковая сетка покрывает всю поверхность металлического каркаса, удерживая звукопрозрачную ткань на своей поверхности. Металлический каркас, с закрепленной на его поверхности пластиковой сеткой, крепится по внешней кромке раскрыва шумозащитного конуса антенны 15. К кромкам купола из звукопрозрачной ткани пришит, рукав из прочного материала, внутри которого проходит стягивающий жгут. Звукопрозрачный тканевый купол (фиг.4) расправляют на поверхности металлического каркаса с пластиковой сеткой и натягивают под расширяющийся козырёк антенны.
Метеорологический локатор с звукопрозрачным куполом работает следующим образом.
Оператор задаёт параметры работы локатора, определяя в текстовом конфигурационном файле значения максимальной высоты зондирования, длительности импульса, частоты для каждого канала, шаг высотного интервала
По заданной программе ЭВМ 9 генерирует в цифровой форме три трапецеидальных зондирующих импульса с частотным заполнением f1, f2, f3 и требуемым периодом излучения. Сформированные импульсы поступают на вход ЦАП 14, где преобразуются в аналоговые сигналы и поступают на вход усилителя мощности 13. Усиленные сигналы с выхода усилителя мощности 13 поступают через электромеханический коммутатор приём/передача 5 на электроакустические преобразователи 4 соответствующих антенн 1, 2, 3. Звуковые волны заданной частоты для каждого канала с электроакустических преобразователей  4, через сумматор акустической мощности 18 и рупор 16 облучают параболический рефлектор 17 и отражаясь от него, формируют волновой фронт, который проходя звукопрозрачный купол 21, излучается в атмосферу антеннами 1, 2, 3 в различных угловых направлениях, соответствующих направлениям осей антенн 1, 2, 3. Отражённые от неоднородностей плотности атмосферы эхосигналы на частотах f1+df, f2+df, f3+df , где df - доплеровская добавка частоты, величина которой зависит от скорости ветра, принимаются антеннами 1, 2, 3 в течение времени определяемым заданной высотой зондирования. После преобразования электроакустическими преобразователями 4 в электрические сигналы звуковой частоты они поступают через электромеханические коммутаторы приём/передача на входы трёх идентичных блоков аналоговой обработки 7. Посредством сверхмалошумящих интегральных усилителей 6 сигналы усиливаются до необходимой для дальнейшей обработки величины и проходят полосовую фильтрацию в рабочем частотном диапазоне посредством полосовых фильтров Баттерворта 8-го порядка 20. Усиленные и отфильтрованные сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8. После оцифровки сигналы поступают в блок управления и статистической обработки (ЭВМ) 9. Туда же поступают сигналы с датчиков интенсивности излучаемых импульсов 11, через АЦП 12. Специальная программа осуществляет цифровую фильтрацию полученных сигналов, анализ спектров сигналов полученных с помощью Фурье-преобразования для каждого высотного интервала, их статистическую обработку, вычисление радиальных скоростей для двух наклонных каналов и вертикальной скорости ветра для вертикально ориентированного канала, а также их дисперсии, вычисление высотных профилей скорости и направления ветра, вычисление высотного профиля структурной характеристики температурного поля. Для наклонных каналов оценка значащего максимума в спектре сигналов происходит в полосе частот соответствующей скорости горизонтального ветра ±20 м/с. Для вертикального канала оценка значащего максимума в спектре сигналов происходит в полосе частот соответствующей скорости ветра ± 5 м/с. Количество отсчётов оцифрованного сигнала, передаваемое в блок спектральной обработки, для каждого высотного интервала дополняется нулями до значения кратного . Достоверность оценок значащего максимума в спектре определяется отношением сигнал/шум. Его значение можно задавать в диапазоне 3- 4,5 раз. Эхограммы принятых из атмосферы сигналов и высотно-временное распределение ветра отображаются на дисплее 10 в режиме реального времени. Вычисление структурной характеристики температурного поля в оперативном режиме происходит на основе полученных значений интенсивности излучаемых импульсов звуковой частоты и оценок интенсивности принятого эхосигнала на каждом высотном интервале.