Способ определения вертикального профиля ветра в атмосфере

Способ определения вертикального профиля ветра в атмосфере

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 доплеровских сигналов на этих длинах волн [1]. Этот способ ограничен монотонными зависимостями проекции скорости от дальности.

Наиболее близким аналогом 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 нижнего слоя рассеивателей, по формуле:

где Н - текущая высота,

V - текущая скорость, соответствующая текущей высоте,

F(h) - известная для конкретной РЛС зависимость принимаемой мощности сигнала от высоты h (которая является известной функцией дальности),

А - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измерительной системы,

S(ν) - спектральная плотность мощности регистрируемого доплеровского сигнала,

V₀ - скорость ветра на высоте расположения измерительной системы (на нулевой высоте).

В данном соотношении коэффициент А определяется из условия нормировки по мощности сигнала вдоль всего луча зондирования.

Однако данный метод доплеровской томографии применим лишь при монотонной зависимости проекции измеряемой скорости от высоты V(H) и приводит к большим погрешностям при нарушении этого условия.

Технический результат предложенного способа заключается в повышении точности измерений за счет использования длин волн с различным ослаблением и поэтапного томографического определения ветра сначала в нижних слоях, а затем в более высоких слоях атмосферы.

Для достижения технического результата используют длины волн с ослаблением газами атмосферы. При большом значении коэффициента ослабления вклад верхних слоев атмосферы в ядро F(h) интегрального уравнения (1), существенно ослаблен и относительный вклад верхних слоев в общее значение интеграла становится пренебрежимо мал. Это позволяет производить томографическое определение ветра в нижнем слое. Затем используют сигналы при меньшем ослаблении с высотой и восстанавливают следующие участки высотного профиля V(H), с учетом информации о профиле ветра в нижнем слое.

Например, если используют длины волн в полосе поглощения атмосферного кислорода в окрестности 5 мм, то выбором длины волны можно получить ослабление от 14 дБ/км до 0,2 дБ/км. При этом эффективная высота слоя измерений изменяется от 0,1 км до 4 км, соответственно.

Точность томографических измерений в предложенном способе дополнительно повышается за счет того, что вероятность возникновения немонотонного участка V(H) в тонком слое атмосферы существенно ниже, чем во всем слое атмосферы.

На фиг.1 представлен пример немонотонного профиля проекции скорости ветра V(H) на некоторое направление зондирования и последовательность восстановления профиля предложенным способом.

Пример реализации метода представлен на фиг.1. Исходный немонотонный профиль проекций ветра V(H) показан сплошной линией. Использование излучения с большим коэффициентом ослабления, например γ₁=0,006 м^-1, позволяет на основе уравнения (1) восстановить нижнюю часть профиля на участке 1-2, которая на фиг.1 показана пунктиром.

На следующем этапе используется ослабление, например γ₂=0,002 м^-1, и соответствующий ему доплеровский спектр. С учетом известного профиля на участке 1-2 проводят восстановление участка 2-3 до высот, которые соответствуют данному уровню ослабления γ₂. В результате указанной процедуры восстанавливают полный профиль ветра.

В другом примере, объясняющем альтернативное решение, описанное в формуле, в заданном направлении зондирования используют не различные длины волн с различным коэффициентом ослабления, а одну и ту же длину волны с фиксированным ослаблением, например, γ=0,006 м^-1.

В данном случае изменение вклада рассеивателей, находящихся на высоте Н, в спектр можно регулировать изменением местного угла зондирования β, поскольку дальность заданного слоя меняется как H/sin(β).

Ядро интегрального уравнения для волновой зоны РЛС можно представить в виде

где Н - высота слоя,

R - дальность до слоя на высоте Н,

γ - линейный коэффициент ослабления,

β - угол зондирования.

Из (2) следует, что чем меньше угол β, тем сильнее ослабляется вклад верхних слоев в спектр. Таким образом, использование различных углов места позволяет получить результат, описанный выше, без использования различных длин волн.

Изобретательский уровень предлагаемого технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Литература

1. Стерлядкин В.В. Авторское свидетельство СССР №1795372, кл. G01Р 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.

Способ определения вертикального профиля ветра в атмосфере, основанный на излучении непрерывных когерентных немодулированных волн в различных направлениях зондирования, регистрации излучения, отраженного неоднородностями увлекаемыми ветром, и получении из него доплеровских сигналов, отличающийся тем, что излучают на нескольких длинах волн, которые по-разному ослабляются газами атмосферы, или на одной длине волны, испытывающей ослабление газами атмосферы, информацию о профиле ветра на нижних высотах получают из доплеровских сигналов при больших значениях ослабления, либо при малых углах места, а информацию о профиле на больших высотах получают из доплеровских сигналов, полученных при меньших значениях ослабления либо при больших углах места с учетом известного профиля ветра на нижних высотах.