СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING WIND SPEED AND AIR TEMPERATURE IN ATMOSPHERIC BORDER LAYER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля метеорологических параметров (скорости ветра и температуры воздуха) в атмосферном пограничном слое (АПС) до высот 2÷3 тысячи метров.
Известен акустический способ дистанционного измерения скорости ветра в АПС, заключающийся в посылке с поверхности земли в атмосферу акустических импульсов, приеме в той же точке поверхности земли акустических сигналов, рассеянных на естественных неоднородностях атмосферы, определении допплеровского сдвига частоты рассеянных акустических сигналов относительно излученных и вычислении скорости движения неоднородностей атмосферы, совпадающей со скоростью движения воздуха (скоростью ветра). Известно реализующее этот способ устройство (содар), состоящее из генератора акустических импульсов, приемо-передающей акустической антенны, приемника акустических сигналов, блока выделения допплеровского сдвига частоты и вычислительного блока [1].
Основными недостатками этого способа и устройства являются слабая помехозащищенность (невозможность проведения измерений при высоком уровне фоновых шумов), небольшая дальность зондирования (до 800 метров) при сильной зависимости ее от метеорологических условий, невозможность измерения температуры воздуха.
Известен радиоакустический способ дистанционного измерения скорости ветра и температуры воздуха в АПС, заключающийся в синхронной посылке с поверхности земли в атмосферу акустических и электромагнитных импульсов, приеме в той же точке поверхности земли электромагнитного сигнала, рассеянного на созданной акустическими импульсами «звуковой решетке», определении допплеровского сдвига частоты рассеянного электромагнитного сигнала относительно излученного, вычислении скорости распространения звуковой волны, зависящей от скорости ветра и скорости звука, и вычислении по этим данным скорости ветра и температуры воздуха (прототип) [2].
Известно устройство для дистанционного измерения скорости ветра и температуры воздуха, имеющее две пары акустически согласованных источников и приемников акустических импульсов, соединенный с ними измеритель временных интервалов, к которому подключен генератор тактовых импульсов и вычислительный блок (прототип) [3].
Недостатками способа и устройства являются слабая помехозащищенность (невозможность проведения измерений при высоком уровне фоновых шумов), небольшая дальность зондирования (до 1000 метров), невозможность измерений при неблагоприятных метеорологических условиях (скорость ветра более 10 м/с, осадки и пр.).
Целью изобретения является увеличение дальности измерений, уменьшение зависимости измерений от метеорологических условий, увеличение помехозащищенности измерений.
2
Указанная цель достигается тем, что, как и в известном, в предлагаемом способе дистанционного измерения скорости ветра и температуры воздуха в атмосферном пограничном слое направляют в атмосферу из точки Х, находящейся на поверхности земли, акустический и электромагнитный сигналы.
1,
2
1
2
2
1
1
2
2
1
1
2
1
1
2
1
2
В отличие от известного, в предлагаемом способе в приземном слое атмосферы на планируемой высоте контроля метеопараметров произвольно определяют точку X которая находится от точки Х на расстоянии L (не превышающей длины технически возможной трассы зондирования), а прямая, проходящая через точки X, Х, не была ортогональна плоскости поверхности земли, далее, из точки Х синхронно излучают одиночный акустический и электромагнитный импульсы, регистрируют их в точке X атмосферы и, по разности времени их прихода в точку X, определяют время t распространения акустического импульса по трассе Х÷X, одновременно из точки X так же синхронно излучают одиночные акустический и электромагнитный импульсы и, по разности времени их прихода в точку Х, определяют время t распространения акустического импульса в обратном направлении по трассе X÷Х, затем определяют средние (по трассе X÷Х) скорость ветра V температуру T по формулам
V=L×(t<sub>1</sub>-t<sub>2</sub>)/2t<sub>1</sub>t<sub>2</sub> ,
/1/
T=C<sup>2</sup>/20.067<sup>2</sup>(l+0.3192e/P),
/2/
где С - скорость звука в воздухе, определяемая из соотношения
C=L×(t<sub>1</sub>+t<sub>2</sub>)/2t<sub>1</sub>t<sub>2</sub>
/3/
1
2
1
1
2
Для послойного определения значений V и T в атмосфере, а также для определения других компонент вектора скорости ветра (не параллельных оси Х-Х) в приземном слое атмосферы точку Х выбирают не лежащую на оси Х-Х.
Указанная цель достигается тем, что, как и известное, предлагаемое устройство для дистанционного измерения скорости ветра и температуры воздуха содержит две пары акустически согласованных источников и приемников акустических импульсов, последовательно включенные генератор тактовых импульсов, измеритель временных интервалов и вычислительный блок, при этом второй выход генератора тактовых импульсов подключен к излучателю акустических импульсов первой пары акустически согласованных источников и приемников акустических импульсов, а выход приемника акустических импульсов второй пары акустически согласованных источников и приемников акустических импульсов подключен к первому входу измерителя временных интервалов.
В отличие от известного устройства, входящие в состав предлагаемого устройства функциональные элементы разделены на наземный и высотный модули, причем элементы высотного модуля размещены на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА), способного «зависать» в фиксированной точке воздушного пространства, при этом в состав наземного модуля кроме генератора тактовых импульсов, измерителя временных интервалов, вычислительного блока, источника акустических импульсов первой пары акустически согласованных источника и приемника акустических импульсов, и приемника акустических импульсов второй пары акустически согласованных источника и приемника акустических импульсов, дополнительно включены излучатель и приемник электромагнитных импульсов, приемник кодовых сигналов и дешифратор координат, при этом третий выход генератора тактовых импульсов подключен к входу излучателя электромагнитных импульсов, выход приемника электромагнитных импульсов подключен ко второму входу измерителя временных интервалов, а приемник кодовых сигналов подключен к входу дешифратора координат, выход которого подключен к третьему входу вычислительного блока, второй вход которого соединен со вторым выходом измерителя временных интервалов; в состав высотного модуля входят приемник акустических импульсов первой пары акустически согласованных источника и приемника акустических импульсов, источник акустических импульсов второй пары акустически согласованных источника и приемника акустических импульсов, приемник электромагнитных импульсов, излучатель электромагнитных импульсов, передатчик кодовых сигналов и блок определения координат БПЛА, при этом выход приемника акустических импульсов подключен к входу излучателя электромагнитных импульсов, выход приемника электромагнитных импульсов подключен к входу источника акустических импульсов и управляющему входу блока определения координат БПЛА, выход которого подключен к входу передатчика кодовых сигналов.
На фиг. 1 приведена схема, поясняющая способ дистанционного измерения скорости ветра и температуры воздуха в атмосферном пограничном слое.
На фиг. 2 приведена схема устройства дистанционного измерения скорости ветра и температуры воздуха в атмосферном пограничном слое.
Для достижения указанной цели кроме наземного источника акустических и электромагнитных импульсов предлагается использовать беспилотный летательный аппарат (БПЛА), способный «зависать» в заданной точке воздушной среды, на борту которого также находятся источники акустических и электромагнитных импульсов (фиг. 1).
1
2
2
1
2
1
2
2
1
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1. Заявленный технический результат достигается следующим образом (фиг. 1). Беспилотный летательный аппарат (БПЛА), на котором размещены излучатель и приемник акустических и электромагнитных импульсов, приводят в заданную точку X атмосферного приземного слоя (АПС) и определяют расстояние от БПЛА до точки Х на поверхности земли, где также размещены излучатель и приемник акустических и электромагнитных импульсов. Из точки Х синхронно излучают одиночный акустический и электромагнитный импульсы, регистрируют их на борту БПЛА (в точке X) и определяют разность времен распространения акустического и электромагнитного импульсов от точки Х до точки X (то есть, благодаря тому, что скорость света многократно превышает скорость звука в воздухе, фактически, определяют время пролета t акустического импульса от точки Х до точки X). Одновременно с борта БПЛА (из точки X) также синхронно излучают одиночный акустический и электромагнитный импульсы, регистрируют их в точке Х и определяют разность времен распространения акустического и электромагнитного импульсов от точки X до точки Х (то есть, фактически, определяют время пролета t акустического импульса в обратном направлении от точки X до точки Х). Затем определяют среднюю по трассе зондирования X÷Х скорость ветра V и температуру воздуха T по формулам
V=L×(t<sub>2</sub>-t<sub>1</sub>)/2t<sub>1</sub>t<sub>2</sub>,<sub>,</sub>
/1/
T=С<sup>2</sup>/20.067<sup>2</sup>(1+0.3192е/Р),
/2/
1
2
1
2
где t t - время распространения акустических импульсов от наземного источника до борта БПЛА и в обратном направлении соответственно, L - расстояние от точки на поверхности земли до БПЛА (расстояние между точками X и Х), С - скорость звука в воздухе, определяемая из соотношения
С=L×(t<sub>1</sub>+t<sub>2</sub>)/2t<sub>1</sub>t<sub>2 </sub>
/3/
1
2
1
2
1
2
1
2
Вычисленные по формулам /1/, /2/, /3/ скорость ветра V и температура воздуха Τ представляют собой усредненные по высоте (по трассе зондирования X÷Х) значения этих метеовеличин, при этом скорость ветра V в общем случае является компонентой вектора скорости ветра, параллельной оси X÷Х). Для послойного определения значений V и T в атмосфере, а также для определения других компонент вектора скорости ветра (не параллельных оси Χ÷Х) БПЛА переводят на высоту, соответствующую заданному слою приземной атмосферы и/или в другую точку воздушного пространства, не лежащую на оси X÷Х, и повторяют описанную выше процедуру измерений.
1
2
l
2
2
2
Предлагаемый способ основан на использовании известной зависимости времени t распространения акустических импульсов через воздушную среду от длины пути L, собственной скорости движения воздушной среды (скорости ветра) V и скорости звука С в этой среде: tt=L/(С±V) (знак ± выбирается в зависимости от направления распространения акустических импульсов относительно направления ветра). При известных значениях t, t и L из данных уравнений можно вычислить значения V и С и затем, пользуясь известным соотношением между скоростью звука в воздухе и температурой воздуха T=С/20.067(1+0.3192е/Р) (где е - парциальное давление водяного пара в воздухе, P - атмосферное давление) вычислить температуру воздуха [2].
2
1
Для реализации этого способа необходимо создать в двух точках пространства (на поверхности земли и на заданной высоте приземного слоя атмосферы) источники и приемники акустических сигналов, измерить времена пролета акустических сигналов, генерируемых этими источниками, от наземной точки до высотной и обратно, определить расстояние между этими точками и, пользуясь соотношениями /1/, /2/, /3/, вычислить средние по трассе зондирования значения скорости ветра и температуры воздуха. При этом следует учитывать, что для обеспечения возможности определения направления скорости ветра точка расположения БПЛА Х не должна находиться на вертикальной оси, проходящей через точку Х.
Для доставки источника и приемника акустических сигналов в заданную точку атмосферы предлагается использовать беспилотный летательный аппарат БПЛА, способный в течение некоторого времени, необходимого для проведения измерений, «зависать» в заданной точке пространства. Такими аппаратами могут являться, например, БПЛА геликоптерного типа (для обеспечения кратковременных измерений) или малогабаритные привязные аэростаты (для обеспечения длительных круглосуточных измерений). Дальность действия таких БПЛА составляет 1÷3 км, что является техническим ограничением дистанции определения метеорологических характеристик этим способом. Определение расстояния между наземной и атмосферной точками может быть осуществлено различными методами, например, посредством определения их точных координат с помощью систем GPS/ГЛОНАС, посредством определения высоты нахождения БЛА альтиметрическим или триангуляционным методами и др.
2. Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства (фиг. 2), состоящего из наземного и высотного модулей.
Наземный модуль НМ размещают в известной точке поверхности земли, высотный модуль ВМ устанавливают на борту беспилотного летательного аппарата БПЛА.
В состав наземного модуля входят генератор тактовых импульсов 1, измеритель временных интервалов 2, вычислительный блок 3, дешифратор координат 4, источник акустических импульсов 5, излучатель электромагнитных импульсов 6, приемник электромагнитных импульсов 7, приемник акустических импульсов 8 и приемник кодовых сигналов 9.
В состав высотного модуля входят приемник акустических импульсов 10, приемник электромагнитных импульсов 11, излучатель электромагнитных импульсов 12, источник акустических импульсов 13, передатчик кодовых электромагнитных сигналов 14 и блок определения координат БПЛА 15.
Блоки наземного модуля соединены между собой следующим образом: выходы тактового генератора 1 параллельно соединены с входами источника акустических импульсов 5, излучателя электромагнитных импульсов 6 и первым входом измерителя временных интервалов 2, второй вход которого подключен к выходу приемника электромагнитных импульсов 7, а третий - к выходу приемника акустических импульсов 8, при этом первый и второй выходы измерителя временных интервалов 2 подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока 3, к третьему входу которого подключен выход дешифратора координат 4, вход которого, в свою очередь, подключен к выходу приемника кодовых электромагнитных сигналов 9.
Блоки высотного модуля соединены между собой следующим образом: выход приемника акустических импульсов 10 подключен к входу излучателя электромагнитных импульсов 12, а выход приемника электромагнитных импульсов 11 - к входу излучателя акустических импульсов 13 и входу измерителя координат БЛА 15, выход которого подключен к входу передатчика кодовых сигналов 14.
Устройство работает следующим образом.
Высотный модуль устанавливают на борт БПЛА, который поднимают и стабилизируют в районе заданной точки АПС, находящейся на некотором расстоянии L от точки расположения наземного модуля (в зависимости от технических возможностей БПЛА это расстояние может составлять до 3-х километров и более, кроме того, для обеспечения возможности определения направления ветра точка расположения БЛА не должна находиться на вертикальной оси, проходящей через точку нахождения наземного модуля).
Далее, при включении устройства, в наземном модуле выработанный тактовым генератором 1 управляющий электрический импульс поступает одновременно на входы источника акустических импульсов 5, излучателя электромагнитных импульсов 6 и первый вход измерителя временных интервалов 2. При этом источник акустических импульсов 5 и излучатель электромагнитных импульсов 6 синхронно излучают в атмосферу единичные акустический и электромагнитный импульсы, которые достигают атмосферного модуля (электромагнитный импульс - практически немедленно, а акустический - спустя промежуток времени, обусловленный скоростью распространения звука в воздушной среде, разделяющей наземный и атмосферный модули, и расстоянием между ними). Электромагнитный импульс улавливается расположенным на борту БПЛА приемником электромагнитных импульсов 11 и преобразуется в короткий электрический импульс, синхронно поступающий на вход источника акустических импульсов 13 и управляющий вход блока определения координат БПЛА 15. При этом источник акустических импульсов 13 излучает в атмосферу единичный акустический импульс, а блок определения координат БПЛА 15 направляет на вход излучателя кодовых электромагнитных сигналов 14 кодовый сигнал, в котором содержится информация о координате БПЛА в данный момент времени. Передатчик кодовых сигналов 14 излучает в пространство этот сигнал, который принимается приемником кодовых сигналов 9 наземного модуля, направляется на дешифратор координат 4, который вычисляет расстояние L между наземным и атмосферным модулями в данный момент времени и направляет это значение в вычислительный блок 3.
Спустя некоторый промежуток времени, обусловленный скоростью распространения звука в воздушной среде, разделяющей наземный и высотный модули, расстоянием между ними и скоростью ветра, акустический импульс, излученный излучателем 5 наземного модуля, также достигнет высотного модуля и будет принят акустическим приемником 10, который передаст сигнал на вход излучателя электромагнитных импульсов 12. Излучатель 12, в свою очередь, направит в атмосферу короткий электромагнитный импульс, который практически немедленно будет принят приемником электромагнитных импульсов 7 наземного модуля и направлен на вход 2 измерителя временных интервалов 2.
Спустя другой промежуток времени, также обусловленный скоростью распространения звука в воздушной среде, разделяющей наземный и высотный модули, расстоянием между ними и скоростью ветра, акустический импульс, излученный излучателем 13 атмосферного модуля, достигнет акустического приемника 8 наземного модуля, преобразуется в электрический импульс и поступит на вход 3 измерителя временных интервалов 2.
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
Измеритель временных интервалов 2 определяет величины t и t, равные временным интервалам между приходом синхроимпульса на его вход 1 и приходом сигналов на его входы 2 и 3. При этом величины t и t соответственно равны временам пролета акустического импульса от наземного модуля до высотного и в обратном направлении, поскольку t и t представляют собой разности времени распространения электромагнитного и акустического импульсов между наземным и высотным модулями в прямом (от точки X до Х) и в обратном (от точки Х до X) направлениях соответственно. Эти значения поступают на входы 1 и 2 вычислительного блока 9 (на вход 3 которого поступила информация о величине расстояния L между наземным и высотным модулями в момент выполнения измерений). В вычислительном блоке 9 выполняется вычисление скорости ветра и температуры воздуха, по формулам
V=L×(t<sub>1</sub>-t<sub>2</sub>)/2t<sub>1</sub>t<sub>2 </sub>
/1/
T=C<sup>2</sup>/20.067<sup>2</sup>(l+0.3192e/P) ,
/2/
где С - скорость звука в воздухе, вычисляемая из соотношения
C=L(t<sub>1</sub>+t<sub>2</sub>)/2t<sub>1</sub>t<sub>2 </sub>
/3/
Вычисленные по формулам /1/, /2/, /3/ скорость ветра V и температура воздуха T представляют собой средние значения этих величин по трассе, образованной наземным и высотным модулями устройства.
Техническое решение предлагаемого способа и реализующего его устройства обеспечивает измерение интегральных (средних) по высоте значений скорости ветра и температуры воздуха с временным разрешением 1 секунда и менее и дальностью действия до 2÷3 километров и более в условиях воздействия фоновых акустических шумов.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск, 2001 - с. 102-118.
2. Каллистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. Москва: Наука, 1985, с. 16-18.
3. Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Ильичевский B.C., Корольков В.А., Тихомиров А.А., Шелевой В.Д. Автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс АМК-03. - Метеорология и гидрология, 2006, №11 с. 89-97.