Устройство для измерения вектора скорости ветра

Устройство для измерения вектора скорости ветра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н M Е < >918922

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советски и

Социалистические

Ресиубнин

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 260980 (21) 2986918/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 070482. Бюллетень М 13

Дата опубликования описания 070482 (5l)N. Кл.

G 01 W I /00 тееуддрстееииыИ кемитет

СССР ав делам изебретеиий и открытий (53) УДК 551. 508. . 85 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Н. П. Красненко, В.A. Федоров (7I) Заявитель

Институт оптики атмосферы То

Сибирского отделения АН Сф (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ .

ВЕТРА

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использо- вано для измерения полного вектора скорости ветра в атмосфере.

Известны устройства для измерения вектора скорости ветра, содер.жащие антенну, задающий генератор, усилитель мощности, синхронизатор, переключатель "прием-передача", входной антенный усилитель, полосовой фильтр, спектроанализатор и электронно-вычислительный блок.

Принимаемый акустический сигнал подвергается спектральному анализу °

Вначале определяется его энергетический спектр (спектр мощности), а затем определяется средняя частота сигнала как средневзвешенная по энергетическому спектру, т.е. по его "центру тяжести" (1).

Недостатком указанных устройств для измерения вектора скорости ветра является то, что при наличии частотной расстройки между централь-, ной частотой энергетического спектра исследуемого акустического сигнала и центральной частотой приемной системы (входного полосового

5 фильтра), что всегда наблюдается на практике, и при наличии шумов, измерение скорости ветра такими устройствами будет сопровождаться значительными систематическими ошиб ками.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения вектора скорости ветра, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и передающую антенну, три приемных канала,. каждый из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны, входного антенного усилителя, .полосового фильтра и спектроанализатора, синхронизатор, соединенный с задающим генератором и спектроана:лизаторами приемных каналов, счет3 91 но-решающий блок, соединенный с выходами спектроанализаторов и со входом устройства отображения. При этом передающая антенна ориентирована вертикально вверх, а три приемные антенны расположены на окружности некоторого радиуса с центром в месте расположения передатчика и разнесены на угол 120 относительно о друг друга. Оси направленности всех трех антенн наклонены к горизонтали на определенный угол В и сориентированы на осевую линию передающей антенны (2).

Недостатком известного устройства для измерения вектора скорости ветра является то, что при наличии частотной расстройки между центральной частотой энергетического спектра исследуемого акустического сигнала . и центральной частотой приемной системы (входного полосового фильтра), что всегда наблюдается на практике и при наличии шумов, измерение скорости ветра в каждом канале уст ройства будет сопровождаться значи .тельными систематическими ошибками.

Ори определении полного вектора скорости эти ошибки еще более возрастут, Цель изобретения — повышение точности измерения вектора скорости ветра в атмосфере.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения вектора скорости ветра, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и передающую антенну, три приемных канала, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны, входного антенного усилителя, полосового фильтра и спектроанализатора, синхронизатор, соединенный с задающим генератором, и счетно-решающий блок, снабжено счетным триггером, формирователем признака "Запись-считывание" и введенными в каждый канал последовательно соединенными коммутатором, блоком памяти и блоком вычитания, причем вход счетного триггера соединен с выходом синхронизатора, а выход — co входами коммутаторов каждого канала, соединенных вторыми входами с выходами спектроаналиэаторов, и со входом формирователя признака Запись-считывание, выход которого соединен со вторыми

8922 ф

$$ входами блоков памяти каждого канала, второй выход коммутаторов каждого канала соединен со вторыми входами блоков вычитания, выходы которых подключены ко входу счетно-решающего блока.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения вектора скорости ветра.

Устройство для измерения вектора скорости ветра содержит передающий канал, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора 1, усилителя 2 мощности и передающей антенны 3, и три приемных канала, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны 4, входного антенного усилителя 5, полосового фильтра 6, спектроанализатора 7, коммутатора 8, блока

9 памяти и блока 10 вычитания. Ко входу задающего генератора 1 подсо! единен синхронизатор 11, к выходу которого подключен счетный триггер

12, выход которого соединен со вторыми входами коммутаторов 8 каждого канала и со входом формирователя признака "Запись-считывание" 13, выход которого соединен со вторыми входами блоков 9 памяти каждого канала, второй выход коммутаторов 8 каждого канала соединен со вторыми входами блоков 10 вычитания, выходы которых подключены ко входу счетнорешающего блока 14. При этом передающая антенна 3 ориентирована вертикально вверх, а три приемные антенны 4 расположены на окружности некоторого радиуса с центром в месте расположения передатчика и разнесены на угол 120 относительно о друг друга. Оси направленности всех трех приемных антенн 4 наклонены к горизонтали на определенный угол

8 и сориентированы на осевую линию передающей антенны 3.

Устройство работает следующим образом.

На первом этапе производится определение энергетического спектра шума G (f), где i = 1,2,3 - номер приемного канала, и занесение

его в соответствующую каналу память устройства. При этом в передающий канал устройства (блоки 1, 2, 3) с синхронизатора 11 поступает импульс запрета, и передающий канал отключается, т.е. производится тольС Г

-1 2 иМ вп +0

7 2

11 Зз1п Ф 1

5 9189 ко прием окружающих устройство для измерения вектора скорости ветра акустических шумов. В это .время коммутаторы 8 каждого приемного канала, управляемые счетным триггером

12 и синхронизатором 11, подключают внутри каналов выходы спектроанализаторов 7 к входам блоков 9 памяти.

При этом акустические шумы принимаются всеми тремя приемными антен- 10 нами 4, преобразуются в электрические колебания и далее внутри каждого канала усиливаются во входных антенных усилителях 5 и после прохождения полосовых фильтров б подаются .15 на спектроанализаторы 7. Далее значения энергетического спектра шума

С (f), полученные на выходах спектроанализаторов 7, через коммутаторы

8 поступают в блоки 9 памяти. На ?о втором этапе работы, этапе зондирования, коммутаторы 8 подключают выходы спектроанализаторов 7 ко входам блоков 10 вычитания, а на задающий генератор 1 с синхронизатора 11 поступает импульс запуска. Задающий генератор 1 генерирует электрические колебания нужной частоты f ю, которые усиливаются усилителем 2 мощности и поступают на передающую Эо антенну 3, где они преобразуются El акустические колебания и излучаются.

Далее отраженный от неоднородностей атмосферы акустический сигнал вместе с окружающими шумами принимается приемными антеннами 4, преобрззуется в электрический сигнал и внутри каждого канала усиливается входными . антенными усилителями 5, фильтруется в полосовом фильтре 6 и поступает 4О на спектроанализатор 7, где определяется его энергетический спектр

6"(т"). Далее значение энергетического спектра Р {У) через коммутатор 8 поступает на вход блока 10 вычитания. 15

В это время с формирователя признака "Запись-считывание" 13, управляемого синхронизатором 11 и счетным триггером 12, на второй вход блока

9 памяти поступает команда "Считы- вание", и происходит считывание ранее определенных значений энергетического спектра шума Я(f) из блока

9 памяти на второй вход блока 10 вычитания, где определяется разность

35 спектра сигнала принятого из атмосферы и спектра шума, т.е.

ni(f) = с (f) - c (f).

22 6

Далее значения Ä(f), 62() и

"Центр тяжести" спектра принятого сигнала в каждом канале равен

6 = fs,, 0)сф) м(3)d) где i = 1, 2, 3, h f — ширина полосы пропускания полосового фильтра б.

Проекция вектора скорости ветра

V. на каждое из трех направлений зондирования где i = 1, 2, 3, «д. = о.;- f11yl1 допплеровский сдвиг частоты принятого сигнала; относительно

О1 частоты излучаемого сигнала fg

С - скорость звука», Π— угол между горизонталью и осью направленности

i-".÷é антенны (в„в,=е,= в).

Полагая, что ось антенны 1 ориентирована в направлении оси Х, а счет остальных двух приемных антенн производится против часовой стрелки, рассчитываются. искомые ортогональные составляющие вектора скорости ветра в прямоугольной системе координат XYZ - — 1и -v 1, 1

- 3 5 1пф

V =- — (V +V +V), 1

3 1 2

Ж 0, Ф=

4 2

Таким образом, в предлагаемом устройстве скорость ветра определяется по измеренной разности энергетического спектра сигнала, полученного при непосредственном зондировании атмосферы и энергетического спектра окружающего локатор шума.

А так как, средние статистические характеристики акустического шума достаточно стабильны, по крайней мере, за время одного цикла измереформула изобретения

ВНИИПИ - Заказ 2133/30 Тираж 719 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 9189 ний (не более 6 с), то это позволяет утверждать о компенсации его влияния на средние характеристики измерений скорости ветра, т.е, об уменьшении систематических ошибок измерений.

1О

Устройство для измерения вектора скорости ветра, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и передающую антенну, три приемных канала, каждый 15 из которых выполнен из последовательно соединенных приемной антенны, входного антенного усилителя, полосового фильтра и спектроанализатора, синхронизатор, соединенный с задаю- 2о щим генератором, и счетно-решающий блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено счетным триггером, . формирователем признака "Запись-счи- 25 тывание", и введенными в каждый ка22 8 нал последовательно соединенными коммутатором, блоком памяти и блоком вычитания, причем вход счетного триггера соединен с выходом синхронизатора, а выход - с входами коммутаторов каждого канала, соединенных вторыми входами с выходами спектроанализаторов и с входом формирователя признака "Запись-считывание", выход которого соединен с вторыми входами блоков памяти каждого канала, второй выход коммутаторов каждого канала соединен с вторыми входами блоков вычитания, выходы которых подключены к входу счетнорешающего блока.

Источники информации .принятые во внимание при экспертизе

1. Beran D.W., ilemarth В.С,:

Carsey I.Ñ., Hall I.I. An Acoustic

Doppler Wind Ibasuring System, Jour:nal of the Acoustical Society of.

America,1974, vol. 55, Мо2, р.334-338.

2. Патент CIA 11 3889533, кл. 73-189, 17.06.75 (прототип ).