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 доплеровского сигналов на этих длинах волн [1]. Этот способ ограничен монотонными зависимостями проекции скорости от дальности. Другим способом 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 определенного слоя рассеивателей. Недостатком этого способа является неточность привязки по высоте, особенно сильно проявляющаяся при немонотонных профилях ветра.

Наиболее близким аналогом является импульсно когерентный метод, основанный на излучении серии когерентных импульсов малой длительности [3]. В данном способе по времени задержки отраженного излучения определяют дальность до селектируемого объема, а по средней доплеровской частоте отраженного сигнала определяют проекцию скорости рассеивателей на направление зондирования. На основе проекций скорости, полученных для различных направлений зондирования, вычисляется скорость и направление ветра на каждой высоте. Недостатком этого способа является широкая полоса приема, требуемая для неискаженной регистрации коротких отраженных импульсов, длительностью τ_и, что снижает отношение сигнал/шум, ухудшает потенциал радиолокатора и возможности измерения при слабых сигналах.

Технический результат предложенного способа заключается в повышении потенциала и чувствительности измерительной системы за счет использования длинных импульсов (повышения отношения сигнал/шум) и дальнейшего томографического восстановления профиля ветра в пределах каждого импульса с привязкой по высоте к началу и концу каждого импульса.

Для достижения технического результата используют излучение с длинными импульсами, протяженность которых во много раз больше, чем требуемое пространственное разрешение. По времени задержки импульса определяют расположение импульса в пространстве, в частности высоту начала и высоту конца импульса. Затем проводится вычисление профиля скорости рассеивателей по высоте в пределах протяженности импульса по формуле (1), в которой учитывается закон изменения мощности принимаемого сигнала от высоты

где H - текущая высота,

H_i - высота, соответствующая началу импульса,

V - текущая проекция скорости ветра, соответствующая текущей высоте H,

V_i - проекция скорости ветра на высоте, соответствующей началу импульса H_i,

F(h) - известная для конкретной измерительной системы зависимость принимаемой мощности сигнала от высоты h, которая связана с дальностью R и местным углом зондирования β соотношением h=R sin(β),

А - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измерительной системы и отражаемости рассеивателей,

S(v) - спектральная плотность мощности регистрируемого доплеровского сигнала, полученная при использовании длинных импульсов

В данном соотношении коэффициент А определяется из условия равенства мощности сигнала, вычисленного, с одной стороны, как интеграл от принимаемой мощности, которая зависит от дальности вдоль протяженности всего импульса зондирования, а с другой стороны, мощности, вычисленной как мощность всего доплеровского спектра.

Подынтегральную функцию F(H) для волновой зоны передатчика и множественной цели, каковыми являются отражения от неоднородностей атмосферы или осадков, можно представить в виде

где γ - линейный коэффициент ослабления.

Достоинством метода по сравнению с традиционными импульсно когерентными системами является работа с длинными импульсами, что позволяет сузить полосу приема, повысить отношение сигнал/шум и, тем самым, повысить чувствительность радиолокатора к слабым сигналам.

На фиг. 1 представлен пример немонотонного изменения профиля ветра V(H), представленный в полярных координатах в виде годографа - множества проекций концов вектора ветра на горизонтальную плоскость. Поскольку вектор ветра имеет горизонтальное направление, то его вертикальный профиль можно полностью задать зависимостью модуля скорости от высоты V(H) и зависимостью азимута ветра от высоты α(H). Каждой точке годографа соответствует своя высота. Азимутальные углы отсчитываются от направления на север по часовой стрелке. Зондирование проводится в различных направлениях α_з. Для слоя рассеивателей (H₄,H₅) граничные частоты в доплеровском спектре (проекции скоростей на направление зондирования α_з) будут равны V(H₄), V(H₅).

Пример реализации способа представлен на фиг. 1

Пусть слой рассеивателей располагается от уровня земли H₁ до высоты Н₅=2000 метров. Пусть местный угол зондирования β составляет 30°. При зондировании длинными импульсами пространственная протяженность по дальности составляет 1000 метров, протяженность импульса по высоте составит 500 метров. При этом весь слой рассеивателей и годограф ветра разделятся на участки по 500 метров. Зондирование проводят при различных азимутах a_3i, например через каждые 30°. α_зi=0°, 30°…330°. В каждом направлении получают по 4 доплеровских спектра, соответствующих 4 различным участкам высот. Для каждого участка высот, например Н₄…Н₅, получают набор из 12 спектров, измеренных при одинаковом угле места и различных направлениях азимута α_зi. Из данного набора спектров выбирают 2 спектра, которые имеют наибольшую ширину (однозначное соответствие между проекцией скорости и высотой), затем для каждого участка высот проводят уточнение профиля скоростей на основе зависимости мощности сигнала от дальности до станции.

где S(v′) - это доплеровский спектр, полученный на участке высот Н₄ - Н₅

Коэффициент А вычисляется из сравнения полной мощности сигнала на этом участке.

В микроволновом диапазоне длин волн поглощением излучения по трассе можно пренебречь, γ=0. Тогда, с учетом (2), уравнения (3) и (4) преобразуется к виду:

Из уравнений (5) и (6) получаем профиль проекции скорости ветра V_i(H) на направление зондирования α_зi на участке H₄-H₅. Аналогичная процедура, проведенная для второго направления зондирования α_зi+1, позволяет получить проекции скорости ветра V_i+1(R). По двум проекциям вектора можно однозначно вычислить вектор ветра V(H), т.е. модуль вектора ветра V(H) и его направление α(Н) на всем участке высот Н₄-Н₅. Проводя аналогичную процедуру для каждого участка высот, можно полностью восстановить ветровой профиль.

Изобретательский уровень предлагаемого технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Литература.

1. Стерлядкин В.В. Авторское свидетельство СССР №1795372, кл. G01P 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.

3. Стерлядкин В.В. Кононов М.А., Быковский. Оценка погрешности измерения профиля ветра методом круговых диаграмм с применением метеорологической радиолокационной станции миллиметрового диапазона длин волн. Научный вестник МГТУГА, сер. Радиотехника, №176, с. 25-30.

Способ определения профиля ветра в атмосфере, основанный на излучении приемопередатчиком когерентных импульсов, регистрации отраженного сигнала, получении доплеровского сигнала на различных высотах в различных направлениях зондирования, отличающийся тем, что излучают длинные импульсы, а уточнение профиля скоростей ветра в пределах длинного участка проводят с учетом полной формы доплеровских спектров по двум или нескольким направлениям зондирования, в которых ширина спектра максимальна, с учетом закона ослабления принимаемой мощности от расстояния до приемопередатчика.