СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ
METHOD FOR DETERMINING VERTICAL WIND PROFILE IN ATMOSPHERE

Изобретение относится к дистанционному зондированию атмосферы, к метеорологии.
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]. Этот способ ограничен монотонными зависимостями проекции скорости от дальности. Другим способом является томографический метод определения профиля ветра (по интегральным доплеровским проекциям, полученным вдоль многообразия прямых), описанный в [2], 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 полной формы доплеровских спектров, в том числе из сравнения мощности излучения, пришедшего от определенного слоя рассеивателей. Недостатком этого способа является неточность привязки по высоте, особенно сильно проявляющаяся при немонотонных профилях ветра.
и
Наиболее близким аналогом является импульсно когерентный метод, основанный на излучении серии когерентных импульсов малой длительности [3]. В данном способе по времени задержки отраженного излучения определяют дальность до селектируемого объема, а по средней доплеровской частоте отраженного сигнала определяют проекцию скорости рассеивателей на направление зондирования. На основе проекций скорости, полученных для различных направлений зондирования, вычисляется скорость и направление ветра на каждой высоте. Недостатком этого способа является широкая полоса приема, требуемая для неискаженной регистрации коротких отраженных импульсов, длительностью τ, что снижает отношение сигнал/шум, ухудшает потенциал радиолокатора и возможности измерения при слабых сигналах.
Технический результат предложенного способа заключается в повышении потенциала и чувствительности измерительной системы за счет использования длинных импульсов (повышения отношения сигнал/шум) и дальнейшего томографического восстановления профиля ветра в пределах каждого импульса с привязкой по высоте к началу и концу каждого импульса.
Для достижения технического результата используют излучение с длинными импульсами, протяженность которых во много раз больше, чем требуемое пространственное разрешение. По времени задержки импульса определяют расположение импульса в пространстве, в частности высоту начала и высоту конца импульса. Затем проводится вычисление профиля скорости рассеивателей по высоте в пределах протяженности импульса по формуле (1), в которой учитывается закон изменения мощности принимаемого сигнала от высоты
где H - текущая высота,
i
H - высота, соответствующая началу импульса,
V - текущая проекция скорости ветра, соответствующая текущей высоте H,
i
i
V - проекция скорости ветра на высоте, соответствующей началу импульса H,
F(h) - известная для конкретной измерительной системы зависимость принимаемой мощности сигнала от высоты h, которая связана с дальностью R и местным углом зондирования β соотношением h=R sin(β),
А - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измерительной системы и отражаемости рассеивателей,
S(v) - спектральная плотность мощности регистрируемого доплеровского сигнала, полученная при использовании длинных импульсов
В данном соотношении коэффициент А определяется из условия равенства мощности сигнала, вычисленного, с одной стороны, как интеграл от принимаемой мощности, которая зависит от дальности вдоль протяженности всего импульса зондирования, а с другой стороны, мощности, вычисленной как мощность всего доплеровского спектра.
Подынтегральную функцию F(H) для волновой зоны передатчика и множественной цели, каковыми являются отражения от неоднородностей атмосферы или осадков, можно представить в виде
где γ - линейный коэффициент ослабления.
Достоинством метода по сравнению с традиционными импульсно когерентными системами является работа с длинными импульсами, что позволяет сузить полосу приема, повысить отношение сигнал/шум и, тем самым, повысить чувствительность радиолокатора к слабым сигналам.
з
4
5
з
4
5
На фиг. 1 представлен пример немонотонного изменения профиля ветра V(H), представленный в полярных координатах в виде годографа - множества проекций концов вектора ветра на горизонтальную плоскость. Поскольку вектор ветра имеет горизонтальное направление, то его вертикальный профиль можно полностью задать зависимостью модуля скорости от высоты V(H) и зависимостью азимута ветра от высоты α(H). Каждой точке годографа соответствует своя высота. Азимутальные углы отсчитываются от направления на север по часовой стрелке. Зондирование проводится в различных направлениях α. Для слоя рассеивателей (H,H) граничные частоты в доплеровском спектре (проекции скоростей на направление зондирования α) будут равны V(H), V(H).
Пример реализации способа представлен на фиг. 1
1
5
3i
зi
4
5
зi
Пусть слой рассеивателей располагается от уровня земли H до высоты Н=2000 метров. Пусть местный угол зондирования β составляет 30°. При зондировании длинными импульсами пространственная протяженность по дальности составляет 1000 метров, протяженность импульса по высоте составит 500 метров. При этом весь слой рассеивателей и годограф ветра разделятся на участки по 500 метров. Зондирование проводят при различных азимутах a, например через каждые 30°. α=0°, 30°…330°. В каждом направлении получают по 4 доплеровских спектра, соответствующих 4 различным участкам высот. Для каждого участка высот, например Н…Н, получают набор из 12 спектров, измеренных при одинаковом угле места и различных направлениях азимута α. Из данного набора спектров выбирают 2 спектра, которые имеют наибольшую ширину (однозначное соответствие между проекцией скорости и высотой), затем для каждого участка высот проводят уточнение профиля скоростей на основе зависимости мощности сигнала от дальности до станции.
4
5
где S(v′) - это доплеровский спектр, полученный на участке высот Н - Н
Коэффициент А вычисляется из сравнения полной мощности сигнала на этом участке.
В микроволновом диапазоне длин волн поглощением излучения по трассе можно пренебречь, γ=0. Тогда, с учетом (2), уравнения (3) и (4) преобразуется к виду:
i
зi
4
5
зi
i+1
4
5
Из уравнений (5) и (6) получаем профиль проекции скорости ветра V(H) на направление зондирования α на участке H-H. Аналогичная процедура, проведенная для второго направления зондирования α+1, позволяет получить проекции скорости ветра V(R). По двум проекциям вектора можно однозначно вычислить вектор ветра V(H), т.е. модуль вектора ветра V(H) и его направление α(Н) на всем участке высот Н-Н. Проводя аналогичную процедуру для каждого участка высот, можно полностью восстановить ветровой профиль.
Изобретательский уровень предлагаемого технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Литература.
1. Стерлядкин В.В. Авторское свидетельство СССР №1795372, кл. G01P 5/00, 1990.
2. 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.
3. Стерлядкин В.В. Кононов М.А., Быковский. Оценка погрешности измерения профиля ветра методом круговых диаграмм с применением метеорологической радиолокационной станции миллиметрового диапазона длин волн. Научный вестник МГТУГА, сер. Радиотехника, №176, с. 25-30.