Метеорологический акустический доплеровский локатор

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, а также измерения в режиме реального времени профилей структурной характеристики температуры воздуха.
Известен метеорологический доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое (Патент RU 85001). Содержит три параболические антенны с различным угловым наклоном. В фокусе антенн установлены электроакустические преобразователи, соединенные через трехканальное приемо-передающее устройство и устройство управления и статистической обработки звуковых эхосигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферных турбулентностей. Каналы устройства выполнены с одинаковым по ширине спектром звуковых частот и содержат стереофоническую звуковую карту, а также интегральный усилитель мощности многочастотных зондирующих импульсов и дифференциальный микрофонный усилитель эхосигналов. Устройство управления и статистической обработки выполнено в виде ЭВМ, с возможностью генерации многочастотных зондирующих импульсов в цифровой форме. Недостатком аналога является отсутствие системы абсолютной калибровки приемо-передающего тракта, что делает невозможным измерения высотного профиля структурной характеристики температуры воздуха в режиме реального времени.
Также 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 приемо-передающее 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 приема отраженного эхосигнала каждой из антенн. Задающий генератор звуковых частот выполнен в виде аналоговой схемы.
Недостатками этого устройства являются наличие только одного приемо-передающего канала; аналоговая схема задающего генератора звуковых частот; последовательный опрос приемо-передающих каналов; отсутствие системы абсолютной калибровки приемо-передающего тракта, что делает невозможным измерения высотного профиля структурной характеристики температуры воздуха в режиме реального времени.
В качестве прототипа выбран 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). Прототип содержит три приемо-передающие антенны, выполненные на основе параболических рефлекторов с шумозащитными конусами. Электроакустический преобразователь представляет собой сумматор акустической мощности от четырех электродинамических преобразователей, нагруженный на свернутый рупор, раскрыв которого расположен в фокусах параболических рефлекторов. Одна антенна ориентирована вертикально, две другие - под углом 20 градусов от вертикали. Антенны соединены через переключатель прием-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 своем составе АЦП, ЦАП, цифровые TTL выходы, соединен с блоком управления и статистической обработки звуковых эхосигналов, выполненным в виде ЭВМ. Блок управления и статистической обработки соединен 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.
К недостаткам прототипа относятся ограниченная скорость цикла измерения, связанная с последовательным опросом приемо-передающих каналов; ограниченная чувствительность к слабым эхосигналам, связанная с использованием 12-битного АЦП, ограничивающим разрешающую способность оцифровки по амплитуде; чувствительность к индустриальным помехам, близким к частоте излучения, связанная с фиксированной частотой излучения; отсутствие канала абсолютной калибровки, что приводит к невозможности измерения интенсивности излучаемого звукового импульса для вычисления структурной постоянной флуктуации температуры в режиме реального времени.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение числа параметров, измеряемых акустическим локатором в режиме реального времени.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является применение встроенных в параболические рефлекторы приемо-передающих антенн, датчиков интенсивности излучаемых импульсов, позволяющих реализовать измерение структурной постоянной флуктуации температуры в режиме реального времени.
На фигуре 1 представлена функциональная схема метеорологического акустического доплеровского локатора, на фигуре 2 - приемо-передающая антенна данного локатора, на фигуре 3 - функциональная схема блока абсолютной калибровки локатора, на фигуре 4 - функциональная схема термостабилизации датчика интенсивности излучаемого импульса, на фигуре 5 - пример эхограммы измерений и рассчитанных по ним профилей скорости и направления ветра и профили структурной характеристики температуры воздуха.
Метеорологический акустический доплеровский локатор содержит три приемо-передающие антенны 1, 2, 3 с электроакустическими преобразователями 4, соединенные через электромеханический коммутатор прием-передача 5 с блоком аналоговой обработки 7, содержащим три идентичных канала, включающих сверхмалошумящий интегральный усилитель 6 и полосовой фильтр 20, рассчитанный на рабочую полосу частот локатора. Блок аналоговой обработки соединен через 24-битный АЦП 8 с блоком управления и статистической обработки 9, который связан с блоком отображения параметров ветрового поля и атмосферной турбулентности 10. Датчики интенсивности излучаемого импульса со схемой термостабилизации размещены в герметичном корпусе 11 и встроены в параболические рефлекторы 17 антенн 1, 2, 3. Они соединены через АЦП 12 с блоком управления и статистической обработки 9. ЦАП 14 соединен через трехканальный усилитель мощности 13 и электромеханический коммутатор 5 с антеннами 1, 2, 3.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами.
Каждая из приемо-передающих антенн метеорологического акустического доплеровского локатора состоит из параболического рефлектора 17, шумозащитного конуса 15 и электроакустического преобразователя, состоящего из четырех динамических излучателей 19, соединенных через сумматор акустической мощности 18 со свернутым рупором 16, раскрыв которого расположен в фокусах параболических рефлекторов. Четыре динамических излучателя электрически соединены последовательно.
Датчик (акселерометр) 21 каждого канала со схемой термостабилизации расположен в термоизолированном от внешней среды корпусе 11. Схема термостабилизации состоит из температурного датчика, расположенного в корпусе акселерометра 21, схемы сравнения 24, схемы управления нагревателем 23 и нагревателя 22, в качестве которого используется транзистор КТ816Г. Нагреватель 22 плотно прилегает к корпусу акселерометра 21 для обеспечения теплового контакта.
Метеорологический акустический доплеровский локатор работает следующим образом.
Оператор задает параметры работы локатора, определяя в текстовом конфигурационном файле значения максимальной высоты зондирования, длительности импульса, частоты для каждого канала, шаг высотного интервала. Минимальная высота зондирования определяется длительностью импульса и равна
Hmin=cTi/2,
где с - скорость звука в воздухе (м/с);
Ti - длительность импульса (с).
n
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 прием-передача 5 на электроакустические преобразователи 4 соответствующих антенн 1, 2, 3. Преобразуясь в звуковые волны заданной частоты для каждого канала, импульсы одновременно излучаются антеннами 1, 2, 3 в атмосферу в различных угловых направлениях, соответствующих направлениям осей антенн 1, 2, 3. Отраженные 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, определяемом заданной высотой зондирования. После преобразования электроакустическими преобразователями 4 в электрические сигналы звуковой частоты они поступают через электромеханические коммутаторы прием-передача на входы трех 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. 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 отсчетов оцифрованного сигнала, передаваемое в блок спектральной обработки, для каждого высотного интервала дополняется нулями до значения кратного 2. Достоверность оценок значащего максимума в спектре определяется отношением сигнал-шум. Его значение можно задавать в диапазоне 3-4,5 раз. Вычисление радиальных скоростей производится по известной формуле Доплера:
где Vr - радиальная скорость (м/с);
с - скорость звука в воздухе (м/с);
f - частота принятого сигнала (доплеровская) (Гц);
fo - частота излученного импульса (Гц).
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. Датчики, в качестве которых используются акселерометры, расположенные в герметичных, термоизолированных корпусах 11, встроены в параболические рефлекторы 17 приемо-передающих антенн 1, 2, 3 и регистрируют интенсивность звуковой волны, падающую на поверхность параболического рефлектора. Преобразуя интенсивность звуковой волны в электрический сигнал, пропорциональный этой интенсивности, передают его через АЦП 12 в ЭВМ 9, где программа вычисляет значение структурной характеристики температурного поля для каждого высотного интервала и строит высотный профиль этой характеристики для отображения на дисплее 10. Для каждого локатора производится первичная калибровка датчиков 11 для получения выражений, определяющих связь между интенсивностью излучаемого импульса и электрическим сигналом с выхода датчиков 11. Эти выражения получают для каждой частоты из рабочего частотного диапазона локатора. Также проводится калибровка на прием, получая выражения, связывающие интенсивность звуковой волны, принимаемую антеннами 1, 2, 3 с амплитудой электрического сигнала звуковой частоты, с выхода электроакустических преобразователей 4 и с выхода блока аналоговой обработки сигналов 7. Выражения, определяющие связь между излучаемой интенсивностью импульса и электрическим сигналом с выхода датчика, а также принимаемой интенсивностью звуковой волны и амплитудой сигнала звуковой частоты, заносятся в вычислительный блок программы локатора и используются в дальнейшем для вычисления значений структурной характеристики температурного поля в оперативном режиме для каждого цикла измерений.
Структурная характеристика  на некоторой высоте Н (или на дальности R от антенны, если антенна имеет отклонение от направления в зенит) определяется по формуле
0
r
2
где I(ƒ) и I(ƒ) - интенсивности (Вт/м) соответственно излучаемого и регистрируемого звукового сигнала на оси диаграммы направленности антенны при несущей частоте сигнала ƒ. Функция W(H, ƒ, р, Т, u) изначально известна и учитывает, в том числе, условия распространения звукового сигнала по трассе зондирования до высоты Н при атмосферном давлении р, температуре воздуха Т и влажности воздуха u. Функция F(ƒ) учитывает «статические» свойства измерительного канала локатора при его работе на частоте ƒ: эффективную площадь антенны, форму диаграммы направленности, длительность зондирующего импульса, а также другие характеристики, остающиеся неизменными в процессе зондирования.
Схема термостабилизации датчика, представленная на фиг. 3, работает следующим образом:
Напряжение, пропорциональное температуре датчика 21, поступает на вход схемы сравнения 24 и сравнивается с опорным напряжением, соответствующим заданной температуре стабилизации. При рассогласовании входного и опорного напряжения схема сравнения 24 выдает напряжение на схему управления нагревателем 23, усиленное по мощности напряжение со схемы управления нагревателем поступает на нагреватель 22, который выделяет тепло для нагрева акселерометра 21 до температуры стабилизации.