Способ определения мгновенного значения скорости ветра и структурной постоянной скорости ветра

Способ определения мгновенного значения скорости ветра и структурной постоянной скорости ветра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л 6 01 W 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3391866/10 (22) 07.01.82 (46) 15.09.92, Бюл. hh 34 (71) Институт оптики атмосферы Томского филиала СО АН СССР (72) Л,Г.Шаманаева и В.П,Чешалкина (56) Авторское свидетельство СССР

- %839386, кл, G 01 W 1/00, 1980. баупог J.Е. Acoustic doppler measurement of atmospheric bcandary lauer velocitlj

structure function and energy dissipation

rates.— Jornal of applied meteorology, 1977, ч. 16, N 2. р. 148 — 155. .(54Н57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МГНО

ВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА

И СТРУКТУРНОЙ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ ВЕТРА путем посылки в исследуемый слой атмосферы излучения, приема рассеянного акустического излучения одновреИзобретение относится к метеорологии и может быть использовано для измерения мгновенного значения скорости ветра и структурной постоянной поля скорости ветра одновременно, а также для измерения высотного профиля этих параметров.

Известен способ определения параметров атмосферы, а именно температуры ветра, по которому в атмосферу посылают два лазерных излучения с параллельными осями, перекрывающихся на заданной высоте, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, принимают возникший акустический импульс и измеряют интервал времени между посылкой лазерного и приемом акустического излучения. по которому судят об искомом параметре.

„„>Ц„„1123397 А1 менно из трех направлений, определения допплеровского сдвига частот принятых излучений, по которому определяют искомые параметры, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью увеличения дальности зондирования, в исследуемый слой атмосферы посылают одновременно два перекрывающихся лазерных излучения, оси которых параллельны, а разность частот равна частоте акустического диапазона, принимают акустическое излучение из трех направлений в точках, равноудаленных от направления посылки и направленных к нему под углами

0 (0(90 так, что проекции двух направлений на плоскости приема лежат на прямой, проходящей через точку посылки, а проекция третьего направления ортогональнэ этой прямой.

Данным способом измеряются лишь средние по трассе распространения значения абсолютной температуры и горизонтальной скорости ветра, Ими невозможно за один цикл измерений получить профили . данных параметров ввиду отсутствия взаимосвязи измеряемого параметра — интегрального времени распространения акустического излучения от места возникновения его в атмосфере до,п риемного устройства — с профилем искомого параметра.

Данным способом невозможно измерять и структурную постоянную поля скорости ветра Cv, являющуюся одной из важнейших характеристик атмосферы для составления прогнозов погоды. ввиду отсутствия одно1123397 временных разнесенных в пространстве измерений мгновенной скорости ветра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения мгновенного значения скорости ветра и структурной постоянной скорости ветра, по которому в исследуемый слой атмосферы посылают три сходящихся акустических излучения, первое — вертикально вверх, а два других направления от него удалены и сходятся под углами Оо < О < 90" к первому, проекции второго и третьего направлений в плоскости приема ортогональны между собой. Первое направление излучения расположено при вершине прямого угла, образуемого пересечением проекций двух других направлений.

Регистрируют акустическое излучение, рассеянное в направлении назад, принимая его из этих направлений, измеряют доплеровский сдвиг частоты каждого из принятых излучений, по которому. определяют искомые параметры, Недостатком данного способа является малая дальность, не превышающая 1 км, ввиду низкой выходной мощности акустических передатчиков, а также потерь на поглощение из-за двойного прохождения трассы распространения. Кроме того, необходима одновременная посылка трех излучений, что при большом удалении источников излучения (300 и 250 м) осуществить затруднительно, Целью изобретения является увеличение дальности зондирования.

Для достижения поставленной цели в способе определения мгновенного значения скорости ветра путем посылки в исследуемый слой атмосферы излучения, приема рассеянного акустического излучения одновременно из трех направлений, определения доплеровского сдвига частот принятых излучений, по которому определяют искомые параметры, в исследуемый слой атмосферы посылают одновременно два перекрывающихся лазерных излучения, оси которых параллельны, а разность. частот равна частоте акустического диапазона,, принимают акустическое излучение из трех направлений вточках,,равноудаленных от направления посылки и направленных к нему под углами 0 < О < 90 так, что проекции двух направлений на плоскости приема лежат на прямой, проходящей через точку посылки, а проекция третьего направления ортогональна этой прямой, На фиг,1 изображено расположение передатчика относительно направлений приема; на фиг.2 — устройство. реализующее

10 ками, 6 — акустические приемники, 7 — устройства предварительной обработки

40 способ, где 1,2 — лазерные передатчики, оси излучения которых параллельны, а диаграммы направленности перекрываются в зэштрихованной области, 3,4,5 — остронаправленные антенны акустических приемников, ориентированные под углами 0 < О < 90 от оси лазерных.передатчиков, R — расстояние между лазерными передатчиками и акустическими приемнисигналов, 8 — блоки определения доплеровского сдвига частот, 9 — 3BM, 10 — блок определения разностной частоты лазерных излучателей, 11 — синхронизатор.

В атмосфере при одновременном распространении двух мощных параллельных монохроматических лазерных излучений с близкими частотами в области их перекрытия в результате нелинейного взаимодействия будет генерироваться мощное акустическое излучение частоты 4к = f1 - f2, ГдЕ f) И т2 — ЧаСтстЫ ПОСЫЛаЕМЫХ ЛаЗЕрНЫХ излучений, направление распространения которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический. Для случая перестраиваемого СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм при мощности лазерных излучений 100 МВт будет генерироваться акустическая мощность 0,2 МВт на единицу длины вдоль оси пучков. Возникшая на дальности I посылки лазерных излучений акустическая волна, пройдя расстояние

A1A2 = R + . I tg О, попадает в поле зрения антенн приемников. Излучение, рассеянное под углом 01 в точке А2, находящейся на высоте I, будет регистрироваться акустическим приемником. Время распространения акустического излучения, возникшего на дальности посылки лазерного излучения, до приемника будет равно

I д„,,д2 + д2 R + I tg 0+ — I ä

Со Со

R+ I (Ig 0+

S in Ó2 (1)

Со где Со = 340 м/с — средняя скорость звука и может быть рассчитано для конкретной геометрии зондирования. Таким образом, используя временное стробирование в приемнике, можно селектироввть сигнал, рассеянный на определенной высоте I, и, измерив доплеровский сдвиг принятого с

I дальности h = — сигнала, измерить nposin ю екцию вектора скорости ветра нэ направление g< вдоль биссектрисы угла A1A2n2:

1123397

Принятое излучение поступает на входы устройств 3 предварительной обработки сигнала, где происходит его усиление, фильтрация и стробирование по дальности.

5 Далее сигналы поступает в блоки 7, где определяются доплеровские сдвиги частот принятых в заданном направлении сигналов относительно частоты возникшего акустического излучения, равной разности

10 частот лазерных излучений, которая измеряется в блоке 10. Данные поступают в ЭВМ

9, где определяется мгновенное значение

Чо(составляющей скорости ветра в направлении р и Сч, управление работой осущест15 вляется синхронизатором 11.

Дальность зондирования можно оценить из.следующих соображений. При распространении звуковой волны до точки, в которой происходит рассеяние, акустиче20 ское излучение ослабится в (1/(R+ Itg 9) раз за счет расходимости цилиндрической волны, и мощность прошедшего излучения можно записать

-2 (R + I tge) (д(в10, () —,, (9) к+! tg О где a — коэффициент ослабления звука.

Приемником будет регистрироваться рассеянное акустическое излучение, .мощность

30 которого можно записать в виде: (3) V.2 з(п(45 — — ) о 0

Vr (r+rn)— (4) (5) (np

Р)

С„(m) = ™ (8) г/з расчетная формула для структурной постоянной поля скорости ветра. 40

Способ осуществляется с помощью устройства, приведенного на фиг.2, где 1,2— лазерные передатчики, оси излучения которых параллельны и ортогональны плоскости .45 приема, а частоты излучения отличаются на частоту звукового диапазона, 6 — акустические приемники, установленные на одинаковом расстоянии от передатчика, направленные под углом 0 (0 < 90 в сто- 50 рону от оси передатчика так, что проекции первого и второго направлений на плоскости приема лежат на прямой, проходящей через точку посылок, а проекция третьего . направления ортогональна этой прямой. 55 н„i(R) — -Я "- . с — — . (г1

2 slrI (45 + — )

Ввиду симметричного расположения приемников можно одновременно провести измерения Чо составляющей скорости ветра в точках А2, Аз и А4, находящихся на высоте (и разнесенных друг от друга на расстоянии в двух взаимно ортогональных направлениях r (А2Аз) и t (АзА4). Проекции измерен ных значений скорости ветра на эти направления будут о

Чпз s(rI (45 — — )

Vr (r} ч2 откуда

Drz(m) < (Чг (r) Vr (i+ m)) i

Аналогичным образом

Чпз з(п (45 — — ) о

Ч ()— ч2

Чп4 8(п (45 — — ) о

Vt(r+ m)—

)Р>, (6) Оп (m) — < (Ч1 (r) Ч (r+ m

Dpp (m) =2Dn (m)+ D22(m), и окончательно будет иметь. (10)

4 ж(—,-„- )2

Множитель в знаменателе учитывает сферическую расходимость рассеянной волны, о (Оз) представляет сечение рассеяния звука единичным объемом, определяется по формуле

î (Os) = 1,52 К сов дз (2 з(п — 11 з х

Ct2 Су2 0З х т + V COS2 — ® (1 1)

4Т2 Со2 2

2 л ак

К волновое число, Со

8s =90 +0-угол рассеяния, СтСу струко турные постоянные поля температуры и скорости ветра. Максимальная дальность

ЗОНдИроааНИя (max = 12,7 КМ С ПОМОЩЬЮ предложенного способа более чем на порядок превышает максимальную дальность акустического зондирования 1 км, достигаемую у прототипа.

Фиг,2

Корректор М.Максимишинец

Редактор Е.Гиринская

° Техред М,Моргентал

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4062 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, 4/5