ДОППЛЕРОВСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПОЛЯ ВЕТРА И ТУРБУЛЕНТНОСТИ В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

Полезная модель относится к метеорологии, конкретно к доплеровским акустическим локаторам для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое.
Известен доплеровский акустический локатор (US 4573352, МПК: G01W 1/00, 1986) для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, содержащий три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи, соединенные через приемопередающее устройство, устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей, причем одна из антенн установлена вертикально, а две другие установлены с угловым наклоном относительно оси первой антенны, устройство управления и статистической обработки сигналов выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея. При этом приемо-передающее устройство выполнено одноканальным полностью аналоговым, включая задающий генератор электрических сигналов звуковых частот. Для последовательного во времени подключения к электроакустическим преобразователям различных параболических антенн локатор снабжен электромеханическим антенным переключателем.
Недостатком известного доплеровского акустического локатора является недостаточная надежность, связанная с относительно низкой надежностью аналоговых и электромеханических элементов.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности доплеровского акустического локатора для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является уменьшения количества малонадежных аналоговых элементов в локаторе с одновременным улучшением качества его измерений.
Достижение заявленного технического результата, и как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, содержащий три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи, соединенные через приемопередающее устройство, устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей, причем одна из антенн установлена вертикально, а две другие установлены с угловым наклоном относительно оси первой антенны, устройство управления и статистической обработки сигналов выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея, согласно полезной модели приемопередающее устройство выполнено трехканальным с одинаковым диапазоном звуковых частот в каждом канале, каждый канал приемопередающего устройства содержит стереофоническую звуковую карту, а также интегральный усилитель мощности зондирующих импульсов и дифференциальный микрофонный усилитель эхосигналов, соединенные соответственно по линейным входу и выходу с электроакустическим преобразователем соответствующей параболической антенны, сигнальный и управляющий вход интегрального усилителя мощности соединен соответственно с сигнальным и управляющим выходом звуковой карты, линейный вход которой соединен с выходом дифференциального микрофонного усилителя, а цифровой вход/выход звуковой карты - с ЭВМ, выполненной с возможностью генерации многочастотных зондирующих импульсов в цифровой форме, причем звуковая карта, усилитель мощности и микрофонный усилитель приемопередатчика выполнены с полосой пропускания, не меньшей диапазона генерируемых звуковых частот зондирующих импульсов.
При этом интегральный усилитель мощности выполнен на базе интегрального усилителя мощности звуковой частоты с выходным каскадом на полевых транзисторах и с возможностью электронного управления питанием выходного каскада. Дифференциальный микрофонный усилитель выполнен малошумящим с малым входным сопротивлением и защитой перенапряжения по входу. Блок памяти программ управления и статистической обработки сигналов содержит программу цифровой генерации многочастотных зондирующих импульсов звуковой частоты, 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.
Выполнение приемопередающего устройства трехканальным позволяет исключить малонадежный электромеханический антенный переключатель и, тем самым повысить надежность работы локатора. Снабжение каналов приемопередающего устройства стереофонической звуковой картой, а также интегральным усилителем мощности многочастотных зондирующих импульсов и дифференциальным микрофонным усилителем эхосигналов и соответствующее их соединение с ЭВМ позволяет исключить необходимость использования сложного аналогового задающего генератора и возложить функцию генерации задающих сигналов зондирования на ЭВМ. При этом обеспечивается возможность генерации сложных многочастотных сигналов зондирования, позволяющих дополнительно повысить точность измерений абсолютных и производных значений скорости ветра параметров турбулентности и, как следствие, повысить качество мониторинга приземных слоев атмосферы.
На фиг.1 представлена функциональная схема допплеровского акустического локатора для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, на фиг.2 - пример эхограммы измерений и рассчитанных по ним профилей скорости и направления ветра.
Доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое содержит три параболические антенны 1, 2, 3 с электроакустическими преобразователями 4, соединенные через трехканальное приемопередающее устройство 5 и устройство 6 управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством 7 отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей. Одна из антенн, например, 1 установлена вертикально, а две другие 2, 3 - с угловым наклоном относительно оси первой антенны 1. и соединены с соответствующими каналами приемопередатчика 5. Электроакустические преобразователи 4 антенн 1, 2, 3 соединены соответственно с каналами 5.1, 5.2, 5.3 приемопередающего устройства 5. Каналы 5.1, 5.2, 5,3 выполнены с одинаковым по ширине спектром звуковых частот. Каждый канал приемопередающего устройства 5 содержит стереофоническую звуковую карту 8, а также интегральный усилитель 9 мощности многочастотных зондирующих импульсов и дифференциальный микрофонный усилитель 10 эхосигналов. Интегральный усилитель 9 мощности выполнен на базе интегрального усилителя мощности звуковой частоты с выходным каскадом на полевых транзисторах и с возможностью электронного управления питанием его выходного каскада по сигнальной линии связи 11 с помощью импульсных сигналов с управляющего выхода звуковой карты 8. Линейный выход усилителя 9 соединен по усиленному зондирующему сигналу с электроакустическим преобразователем 4 своей антенны 1-3, а линейный вход - с аналоговым сигнальным выходом 12 звуковой карты 8. Сигнальный вход 13 карты 8 соединен с электроакустическим преобразователем 4 своей антенны 1-3 через дифференциальный микрофонный усилитель 10. Усилитель 10 выполнен малошумящим с малым входным сопротивлением и защитой по входу от перенапряжения. Цифровой вход/выход звуковой карты 8 соединен с устройством 6 управления и статистической обработки сигналов. Устройство 6 выполнено в виде ЭВМ на базе промышленного компьютера, а устройство 7 - в виде дисплея. ЭВМ устройства 6 выполнено по стандартной схеме промышленного компьютера с операционной системой GNU/Linux и снабжено блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов (на фигурах не показано). ЭВМ выполнена с возможностью генерации многочастотных зондирующих импульсов в цифровой форме и содержит цифровой модуль задающего многочастотного генератора, снабженный разъемом для его установки на плате расширения компьютера и/или программу генерации многочастотных звуковых сигналов, введенную в блок памяти программ управления ЭВМ. В последнем случае блок памяти программ управления и статистической обработки сигналов содержит программу цифровой генерации многочастотных зондирующих импульсов звуковой частоты одновременно для всех передающих каналов приемопередатчика, 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.
Доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое работает следующим образом.
0
R
По заданной программе ЭВМ 6 генерирует в цифровой форме многочастотный зондирующий сигнал с требуемым для измерений периодом посылок. Этот цифровой многочастотный сигнал поступает с заданной временной задержкой на цифровые входы звуковых карт 8 каналов 5.1, 5.2, 5.3, преобразуется в аналоговые сигнал и по линии 12 подаются на усилитель 9 мощности. Одновременно на усилитель 9 по линии 11 связи выдается управляющий импульсный сигнал для включения электропитания на его выходной каскад на время усиления электрического многочастотного зондирующего импульса, поступившего на его вход. Усиленный многочастотный сигнал далее подается на электроакустические преобразователи 4 соответствующих антенн 1, 2, 3, преобразуются в многочастотные звуковые волны и излучаются сериями импульсов в пространство в различных угловых направлениях, соответствующих направлениям осей антенн 1, 2, 3. Многократно отраженные от неоднородностей плотности атмосферы эхосигналы разлучных частот и с доплеровским сдвигом, величина которого зависит от скорости ветра, принимаются антеннами 1, 2, 3 в период между зондирующими импульсами. Эти звуковые сигналы преобразуются электроакустическим преобразователем 4 в электрический сигнал звуковой частоты с расширенным спектром частот и подаются па дифференциальный микрофонный усилитель 10. Далее усиленные усилителем 10 электрические сигналы звуковой частоты поступают на линейный вход звуковой карты 8. В карте 8 аналоговый эхосигнал преобразуется в цифровую форму и подается на вход устройства 6 управления и статистической обработки звуковых эхосигаалов. Опрос антенн 1-3, первичная обработка эхо-сигнала, осреднение данных, а также графическое отображение результатов измерений осуществляется отдельными программами. Параметры работы локатора задаются при помощи текстовых конфигурационных файлов. Кроме специально созданного программного обеспечения, в работе локатора широко используются стандартные средства системы GNU и другие свободно распространяемые программы. В локаторе реализован алгоритм, который осуществляет анализ эхо-сигнала от каждого зондирующего импульса и с каждого углового направления приема в отдельности, что позволяет получать данные с максимальным разрешением по времени и угловым направлениям. Для каждого высотного интервала определяются три величины: интенсивность сигнала с шумом, интенсивность шума (в дБ), а также лучевая компонента ветра по частоте принятого сигнала , где с - скорость звука, а f - частота зондирующего импульса. На основании этих данных затем определяются компоненты скорости ветра и их дисперсии. На каждом высотном интервале рассчитывается Фурье-спектр мощности эхо-сигнала, дополненной нулями до числа отсчетов равного степени двойки так, чтобы общее число отсчетов увеличилось в несколько раз. Обработка спектров выполняется последовательно от нижних уровней к верхним. Доплеровская частота оценивается в два этапа. Первичная оценка для нижнего высотного интервала получается как центр масс спектра в интервале ±10 м/с вокруг частоты f антенн 1-3. (Далее частоты оцениваются в единицах лучевой скорости.) Для последующих высотных интервалов центр масс рассчитывается в интервале ±3 м/с вокруг последней надежной оценки. Окончательно лучевая скорость вычисляется как центр масс спектра в «сигнальной» полосе ±1,5 м/с вокруг первичной оценки, а интенсивность сигнала - как средняя мощность в такой же полосе вокруг окончательной оценки. Интенсивность шума оценивается как средняя мощность в двух полосах шириной 6 м/с прилегающих к сигнальной полосе. Оценка доплеровской частоты считается надежной, если интенсивность в сигнальной полосе превышает интенсивность шума не менее чем на 4,5 дБ. Такой алгоритм обеспечивает большую помехоустойчивость по сравнению с простым вычислением центра масс спектра. Работа алгоритма проиллюстрирована ниже на примере эхо-сигнал, полученного на наклонной антенне (зенитный угол 30°), при несущей частоте 1700 Гц и длительности импульса τ=100 мс. При этом разрешение по дальности составляет Δh=cτ/2=17 м, а доплеровская чувствительность Δf/V=10 Гц/(м/с). Спектры, соответствующие различным высотным интервалам показаны на фиг.2. Полоса предварительного поиска обозначена жирной линией, а сигнальная полоса зачернена. В верхней части фиг.2 представлены спектры эхо-сигнала от единичного зондирующего импульса принятого наклонной антенной с последовательных высотных интервалов. На графиках указаны измеренная частота сигнала в герцах, интенсивности сигнала + шум (S) и отдельно шума (N) в децибелах, а также нижняя граница высотного интервала в метрах. Средние профили ветра и эффективности рассеяния рассчитываются на основе данных серии зондирования. Для осреднения используются данные с соотношением сигнал/шум, превышающем определенное значение, которое выбирается в зависимости от конкретной задачи. На верхнем графике изображена «отражаемость» (интенсивность эхо-сигвала с поправкой на сферическую расходимость зондирующего импульса), а на нижнем - серия профилей скорости и направления ветра. Похожие диаграммы можно просматривать в реальном времени как непосредственно на экране управляющего компьютера, так и удаленно при использовании GPS линии связи.
Доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое разработан на уровне технического предложения, программного обеспечения измерений и опытного образца. Испытания опытного образца показали реализуемость и промышленную применимость полезной модели, а также показали достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи.