Бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы
BISTATIC SODAR FOR ANALYSIS OF WIND FIELDS AND CHARACTERISTICS OF TURBULENCE IN SURFACE AND BOUNDARY LAYERS OF ATMOSPHERE

Изобретение относится к наземным аппаратным средствам акустического дистанционного зондирования нижних слоев атмосферы и может быть использовано для получения информации о скорости и направлении ветра, пульсационных характеристиках ветра в приземном и пограничном слоях атмосферы начиная от высот в 1 м (для ровных бетонных поверхностей - практически от 0 м) что особенно важно, например, на аэродромах.
Известны содары, действие которых базируется на явлении рассеяния акустических волн слышимого диапазона атмосферными мелкомасштабными турбулентными неоднородностями, что привело к широкому применению содаров для измерений профилей скорости ветра и параметров турбулентности в атмосферном пограничном слое (АПС). Современное развитие высоко-технологичных средств наземного дистанционного зондирования атмосферы, таких как сканирующие доплеровские радары и лидары не уменьшает роли содаров в исследованиях турбулентности в АПС (см. например, [Coulter and Kallistratova, 1999]).
Физические основы теории этого явления были заложены A.M. Обуховым [Обухов, 1941]. Развитие теории рассеяния в работах В.И. Татарского [Татарский, 1967] и А.С. Монина [Монин, 1961] и ее экспериментальное подтверждение [Каллистратова, 1959; Каллистратова и Татарский, 1960].
Известен 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 эхо-сигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферной: турбулентности, 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 (см. US 4573352, МПК: G01W 1/00, 1986). Недостатком известного доплеровского акустического локатора является недостаточная надежность, связанная с относительно низкой надежностью аналоговых и электромеханических элементов.
Известны содары типичная максимальная высота зондирования, для которых составляет  при разрешении  и "мертвой зоне"  а для минисодаров  и  [Coulter and Kallistratova, 1999; Bradley, 2008].
В качестве же прототипа выбран содар, представляющий собой прибор по принципу действия аналогичный радиолокатору, т.е. прибор излучающий направленный импульс (для содара акустический) в атмосферу, принимающий ответный эхо-сигнал и анализирующий эхо, выделяя из него полезную информацию. Поэтому и основные компоненты прибора функционально аналогичны - совокупность приемо-передающих антенн, усилители мощности зондирующего импульса, усилители принятого входного эхо-сигнала, управляющий компьютер (компьютеры), управляемые интерфейсы между компьютером и электронными компонентами. Создан в Институте физики атмосферы РАН патент РФ 85001, G01W 1/00 2009.
Известные устройства имеют ряд недостатков, прежде всего существование значительных "мертвых зон".
Технической задачей заявленного изобретения является создание бистатической, с раздельными устройствами излучения зондирующего импульса и приема эхо - сигнала, установки, позволяющей начать запись эхо-сигнала до старта излучения зондирующего импульса, что сводит размер "мертвой" зоны практически до нуля. Такой подход использован в установке [Argentini et al, 2012], в которой излучатели располагались симметрично вокруг вертикальной приемной антенны.
Поставленная задача решается в установке бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы, содержащий комплект приемо-излучающих антенн по количеству обрабатываемых каналов, усилители мощности зондирующего импульса, соединенные с аудиоинтерфейсами - управляемыми компьютерами и входными микрофонными усилителями, при этом содар содержит n-ное количество комплектов по числу зондируемых направлений, причем излучающая 1 и приемная 2 антенны каждого канала имеют самостоятельные корпуса, примыкающие друг к другу, кроме того приемная 2 антенна, включает параболическое акустическое зеркало (на рисунке не показано) в фокусе которого установлен профессиональный микрофон-приемник (на рисунке не показан) эхо-сигнала, а излучающая 1 антенна, состоит из совокупности рупорных громкоговорителей (на рисунке не показаны) с осями излучения ориентированными коллинеарно оси параболы акустического зеркала приемной 2 антенны, а каждый приемный 2 канал состоит из принимающего микрофона (на рисунке не показан), входного интегрального дифференциального усилителя обеспечивающего микрофон фантомным питанием и выходом соединенным с входом соответствующего аудиоинтерфейса управляющего компьютера 3, а зондирующие импульсы излучаются одновременно по всем излучающим каналам, с частотой и длительностью задающимися программным обеспечением управляющего компьютера 3.
Кроме того, усилители мощности выполнены на интегральных микросхемах высокой степени интеграции, работающих в "классе D", а на приеме зондирующие импульсы от разных совокупностей каналов излучаются со сдвигом в часть времени скважности. Принимающий канал программно включается по времени на прием до того как, соответствующий ему излучающий канал включится на излучение, так, чтобы для анализа был принят и записан весь (неусеченный) эхо-импульс.
Блок - схема бистатического содара изображена на рис. 1. Здесь: антенны излучающие - 1 принимающие - 2, компьютер - 3.
Бистатическая конфигурация применена для уменьшения мертвой зоны содара, которая в моностатическом содаре определяется временем релаксации реверсивного электроакустического преобразователя при его переключении из режима излучения в режим приема. Электродинамические громкоговорители (в дальнейшем, "динамики"), являются наиболее эффективными широкополосными излучающими звук электроакустическими преобразователями. Коэфициент полезного действия высокочастотных рупорных динамиков обеспечивают обнаружение и измерение слабого рассеянного сигнала, уровень которого на 150-160 дБ ниже уровня зондирующего излучения. Однако, они обладают высокой добротностью, приводящей к долгому паразитному послезвучию по окончании короткого электрического импульса. В предлагаемой установке размеры "мертвой зоны" определяются только вертикальными геометрическими размерами шумозащитных экранов и составляют около 3-х метров. Количество аналоговых радиотехнических устройств в разработанном ВРМС - Высокого Разрешения Мини Содаре - сведено к минимуму: это только высокоэффективные усилители мощности TAS5630 и малошумящие микрофонные усилители SSM2019, обеспечивающие подключение микрофона с фантомным питанием. Все остальные функции выполняются компьютером. В качестве АЦП-ЦАП прибора используются компьютерные аудиоинтерфейсы (звуковые карты) высокого разрешения.
В рабочем режиме каналы наклонных антенн работают одновременно на разных частотах, а старт вертикального канала сдвинут на 0.5 с. При обработке эхо-сигналов проводится их предварительная фильтрация с использованием различных комбинаций окон (прямоугольного, Hamming и Gaussian), а затем методом быстрого преобразования Фурье определяется доплеровский сдвиг частоты.
Системные параметры:
Несущие частоты компонент звукового локатора, Гц
4500, 5000, 5500
Длительность зондирующего импульса, с
0.02
Период посылок импульсов, с
1
Диапазон зондируемых высот, м
3-45
Разрешение по высоте (со скользящим средним), м
1
Диапазон измерения горизонтальной скорости ветра, м с<sup>-1</sup>
0.5-20
Диапазон измерения вертикальной скорости ветра, м с<sup>-1</sup>
0.1-10
Работа бистатического содара для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы.
Верификация данных разработанного минисодара проводилась на Цимлянской научной станции (ЦНС) ИФА летом 2017 г. путем сравнения этих данных с измерениями скорости ветра ультразвуковым термометром-анемометром марки USA-1 (соником), установленным на 10-метровой мачте, расположенной на расстоянии 35 м от содара. Линейные размеры области пространственного осреднения данных составляли около 0.1 м для соника и около 2 м для ВРМС.
Примеры сопоставления временных ходов модуля скорости ветра и сравнения значений модуля скорости на высоте 10 м при 60-секундом осреднении приведены на рис. 2. Представлены сопоставительные результаты синхронных измерений модуля скорости ветра соником и ВРМС на высоте 10 м на Цимлянской научной станции ИФА. Слева: временной ход скорости в утренние часы 26 июля 2017 г. Справа: сравнение значений модуля скорости, измеренных в течение суток 26 июля 2017 г. соником и ВРМС. Время осреднения сравниваемых данных - 60 секунд.
-1
Вычисленные по всей выборке средние значения модуля скорости ветра, измеренные соником и ВРМС, практически совпадают и равны 2.7 м с. Различие средней скорости между данными двух приборов составляет около 1%, что говорит об очень хорошей сходимости результатов при осреднении по выборкам большого размера.
-1
Соответствующие среднеквадратичные отклонения по всей выборке составляют 0.84 и 0.64 м с для содара и соника, соответственно.
Из сравнения левой и правой части Рис. 2 видно, что при 60-секундном осреднении минисодар статистически точно измеряет скорость ветра, несмотря на ее большие вариации по величине и по темпу изменения. Однако, амплитуда вариаций скорости, измеренной минисодаром, несколько выше, чем измеренной соником, что требует дополнительного анализа. В целом, проведенные сопоставления позволяют считать результаты измерений скорости ветра минисодаром ВРМС статистически достоверными. Этот вывод согласуется с результатами многочисленных проверок отечественных и зарубежных содаров и минисодаров.
Литература
1. Каллистратова М.А. Экспериментальное исследование рассеяния звука в турбулентной атмосфере // Доклады Академии Наук СССР. 1955. Т. 125. №1. С. 69-72.
2. Каллистратова М.А., Татарский В.И., 1960: «Об учете завихренности поля ветра при вычислении рассеяния звука в атмосфере». Акустический журнал, т. 6, №4, с. 503-505.
3. Монин А.С. 1961: «Некоторые особенности рассеяния звука в турбулентной атмосфере». Акустический журнал, т. 7, №4 с. 457-461 4, Обухов A.M. 1941: О распределении энергии в спектре турбулентного потока. ДАН СССР, т. 32, №1, с. 22-24.
5. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука. 1967. 548 с.
6. Argentini S., Pietroni I., Mastrantonio G, Petenko I., Viola A., 2012: Use of a high-resolution sodar to study surface-layer turbulence at night // Boundary-Layer Meteorol. 2012. V. 143. No. 1. P. 177-188.
7. Bradley Stuart Atmospheric acoustic remote sensing. / CRC Press. 2008. 265 p.
8. Coulter R. and M. Kallistratova 1999: The Role of Acoustic Sounding in a High-Technology Era. Meteorology and Atmospheric Physics 71(1), p. 3-13.