Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Информатика, ВТ, телекоммуникации
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

342,85 kb
Опубликовано:

2011-09-22

Все дипломные работы по информатике

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

МАГІСТЕРСЬКА ДИПЛОМНА РОБОТА

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Дослiдження та розробка системи радiоакустичного зондування для вимiрювання параметрiв вiтрових потокiв у атмосферному прикордонному шарi

Магістрант гр. АРТм - 07 - 1

_____________ Павлік К.М.

Науковий керівник

______________ проф. Сідоров Г.I.

Допускається до захисту

Зав. Кафедри

______________________ проф. КарташовВ.М.

2011 р.

Реферат

Пояснительная записка, 100 с., 10 иллюстраций, 6 таблиц, 80 формул.

Цель работы: исследование возможностей измерения сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования, исследование потенциальных и методических погрешностей измерений и проведение предварительного метрологического анализа проектируемой системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Объект исследования: радиоакустическая система вертикального зондирования атмосферного пограничного слоя.

Предмет исследования: метрологические характеристики системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Методы исследования: методы математического анализа; методы компьютерного моделирования в среде MathCad 2001 Professional; методы численного анализа.

В данной работе рассмотрены принципы радиоакустического зондирования атмосферы. Выбрана для анализа система вертикального зондирования. Обоснована необходимость и проработан метод метрологической аттестации системе на этапе эскизного проектирования.

Результаты являются важным элементом при техническом проектировании системы.

МЕТОД РАДИОАКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ, ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОРЕШНОСТИ, МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ.

Реферат

Пояснювальна записка, 100 с., 10 ілюстрацій,6 таблиць, 80 формул.

Мета дослідження: дослідження можливостей вимірювання зсуву вітру у прикордонному шарі атмосфери з використанням систем радіоакустичного зондування, дослідження потенційних та методичних похибок вимірів та проведення попереднього метрологічного аналізу системи радіоакустичного зондування атмосфери.

Об’єкти дослідження: радіоакустична система вертикального зондування атмосферного прикордонного шару.

Предмет дослідження: метрологічні характеристики системи радіоакустичного зондування атмосфери.

Методи дослідження: методи математичного аналізу; методи комп’ютерного модулювання у пакеті прикладних програм MathCad 2001 Professional; методи чисельного аналізу.

У роботі розглянуті принципи радіоакустичного зондування атмосфери. Обрана до аналізу система вертикального зондування атмосфери.

Обгрунтована необхідність та опрацьован метод метрологічної атестації системи на етапі ескізного проектування.

Результати є важливим елементом під час технічного проектування системи

МЕТОД РАIОАКУСТИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ АТМОСФЕРИ, ПРИКОРДОННИЙ ШАР, ПОТЕНЦIЙНI ПОХИБКИ, МЕТРОЛОГIЧНА АТЕСТАЦIЯ.

Содержание

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ

. Обзор литературных источников. Анализ методов исследования и проектирования систем радиоакустического зондирования атмосферы

.1 Анализ литературных источников

.2 Параметры некоторых аналогичных систем

.3 Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы

.4 Проверка условия Брэгга

.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ

.6 Трудности на пути исследований

.7 Особенности метода РАЗ

. Системы Радиоакустического зондирования

.1 Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования

.2 Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты

.3 Предпосылки исследования нижних слоев атмосферы

.4 Необходимые условия

.5 Практическое применение метода радиоакустического зондирования атмосферы

.6 Выбор метода исследований

.7 Актуальность метода

. проектирование моноимпульсной однопозиционной системы радиоакустического зондирования

.1 Методы измерения сдвига ветра

.2 Конфигурация антенной системы

.3 Анализ работы радиотехнического устройства

.4 Технические характеристики системы

.5 Оценка оптимального отношения сигнал/шум в системе радиоакустического зондирования атмосферы

.6 Исследование траектории движения акустического пакета

.7 Особенности разработанной системы радиоакустического зондирования

. Измерение сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования

.1 Качество измерений

.2 Виды погрешностей

.3 Подготовка к метрологической аттестации системы на этапе разработки

.4 Анализ системы радиоакустического зондирования. Метрологическая аттестация системы

.5 Исследование методических погрешностей

.6 Анализ зависимости величины погрешности от отношения сигнал/шум

.7 Выводы по метрологической аттестации на этапе проектирования

Выводы

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ

АР - антенная решетка;

АВП - акустический волновой пакет;

АЗ - акустическое зондирование;

АЛ - акустический локатор;

АПС - атмосферный пограничный слой;

АС - акустическая система;

ДН - диаграмма направленности;

Лидар - лазерный метеорологический локатор;

ЛЧМ - линейная частотная модуляция;

МРЛС - метеорологическая радиолокационная станция;

ПАВ - пакет акустических волн;

Радиоакустический сигнал - векторный зондирующий сигнал, состоящий из одномерных акустического и электромагнитного колебаний;

РАЗ - радиоакустическое зондирование;

РАС - радиоакустическая система;

Расдар - станция радиоакустического зондирования атмосферы;

РЛС - радиолокационная станция;

РВП - радиолокационный ветровой профилер;

РСЗА - радиоакустическая система зондирования атмосферы;

СМ - структурная модель;

Содар - станция акустического зондирования атмосферы;

ХНУРЭ - Харьковский национальный университет радиоэлектроники;

ЭПР - эффективная площадь рассеяния;

- коэффициент затухания звуковых волн;

- коэффициент, слабо зависящий от состава, температуры, давления и влажности воздуха;

- скорость распространения звука;

- скорость распространения электромагнитных волн;

- структурная постоянная (характеристика) флуктуаций температуры;

- структурная постоянная (характеристика) флуктуаций скорости ветра;

- постоянная отражения для воздуха , ;

- напряженность электрического поля радиоволны;

- диэлектрическая проницаемость;

- частота акустического излучения;

- доплеровское смещение частоты звуковой волны;

- несущая частота радиосигнала;

- доплеровское смещение частоты радиосигнала;

- угол рассеяния;

- длина электромагнитной волны;

- длина волны акустических колебаний;

- число длин волн в акустическом пакете;

- мощность акустического излучения;

- мощность электромагнитного излучения;

B - параметр расстройки условия Брэгга;

- радиус-вектор точки пространства;

- время;

- абсолютная температура;

- длительность акустического импульса;

- длительность радиоимпульса;

- вектор скорости ветра;

- проекции вектора скорости ветра на оси координат (составляющие скорости ветра);

,,- погрешности составляющих скорости ветра.

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь и деятельность человека протекают в атмосфере Земли и зависят в значительной степени от ее состояния. Атмосфера - чрезвычайно сложный и динамичный объект, требующий для исследования соответствующих теоретических и экспериментальных методов. Традиционные контактные методы измерений не способны удовлетворить возрастающих требований к объему метеорологической информации. Основными их недостатками являются дискретность получаемых результатов в пространстве либо во времени и высокая стоимость высотных измерений, для выполнения которых используются специальные средства доставки датчика в исследуемую область: метеорологические мачты, аэростаты, самолеты, вертолеты, ракеты и т.д.

Поэтому в последнее время интенсивно развиваются методы дистанционного зондирования атмосферы электромагнитными и звуковыми волнами [1], позволяющие производить практически непрерывные измерения во всем доступном для данного метода диапазоне высот и обеспечивающие малые затраты на проведение повторных измерений. Значительные возможности по определению параметров атмосферы предоставляют методы радиоакустического зондирования (РАЗ).

Актуальность применения и развития РАЗ в Украине обусловлена наличием районов с высокой плотностью населения, расположением предприятий промышленного производства, в том числе экологически вредных - металлургических, энергетических, химических, значительным развитием воздушного транспорта и ядерной энергетики.

Метод и аппаратура РАЗ могут быть использованы для прогнозирования условий распространения УКВ и волн оптического диапазона, метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, прогнозирования неблагоприятных метеорологических ситуаций, приводящих к повышенным уровням загрязнения атмосферного воздуха вредными промышленными выбросами, исследования термодинамических процессов, протекающих в атмосферном пограничном слое(АПС).

Цель работы: исследование возможностей сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования, исследование потенциальных и методических погрешностей измерений и проведение предварительного метрологического анализа проектируемой системы радиоакустического зондирования атмосферы.

1. Обзор литературных источников. Анализ методов исследования и проектирования систем радиоакустического зондирования атмосферы

1.1 Анализ литературных источников

Выполнен аналитический обзор литературных источников, относящихся к рассматриваемой предметной области. Показано, что системы РАЗ характеризуются рядом особенностей, которые выделяют их в специфический класс локационных систем.

Существующие методы измерения параметров атмосферы делятся на две группы [2]: контактные и дистанционные. Среди дистанционных методов зондирования в настоящее время наиболее развиты и перспективны для практического применения следующие: радиолокационный, акустический, радиоакустический, лазерный.

Радиолокация занимает прочное место в исследованиях атмосферы и широко используется в практике метеонаблюдений [13]. Источниками рассеянного сигнала в метеорологических радиолокационных станциях (МРЛС) могут выступать как гидрометеоры [13] (капли дождя, частицы снега, тумана, облаков), так и турбулентные образования «ясного неба» [9, 11]. Некогерентные МРЛС, использующие рассеяние на гидрометеорах, предоставляют возможность определять свойства наблюдаемых метеообразований по энергетическим параметрам принимаемого сигнала, доплеровские (когерентные) станции этого типа позволяют дополнительно измерять динамические характеристики перемещения и эволюции метеообразований по спектру радиосигнала [10,12]. Информативными являются методы поляризационного распознавания классов метеообъектов, реализуемые как в когерентных, так и в некогерентных станциях.

В последнее время интенсивно развиваются доплеровские МРЛС вертикального зондирования, основанные на явлении рассеяния радиоволн турбулентными неоднородностями показателя преломления воздуха [8,10]. Эти станции, получившие название радиолокационных ветровых профилеров (РВП) [10], позволяют определять высотные профили скорости и направления ветра в диапазоне высот от 500 м до 15-20 км непосредственно над местом расположения РЛС. РВП представляют собой высокопотенциальные когерентно-импульсные РЛС дециметрового или метрового диапазонов. Высотное разрешение измерений составляет 150-500 м, время получения одного профиля от нескольких минут до одного часа [12].

Работа лазерных метеорологических локаторов - лидаров основана на рассеянии световых волн частицами атмосферного аэрозоля, а также молекулами кислорода, азота, натрия и др. [14,15]. Лидары способны оценивать скорости движения рассеивателей как в верхних слоях атмосферы (для этого используется ультрафиолетовый диапазон излучения), так и в нижних слоях (при использовании видимого и инфракрасного диапазонов). Скорость ветра определяется по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала, либо путем оценивания скорости перемещения в пространстве рассеивающих структурных неоднородностей с использованием корреляционного анализа интенсивностей принимаемых сигналов.

Пространственное разрешение лидарных систем лучше, чем у РВП. Но выполнение лидарных измерений возможно только в темное время суток, а точность получаемых результатов существенно зависит от степени замутненности атмосферы.

Радиолокационные и лазерные средства позволяют получать ценную метеоинформацию с достаточно больших территорий и высот. Однако приземный и пограничный слои атмосферы, а также прилегающие к ним области высот, играющие чрезвычайно важную роль в жизнеобеспечении всего живого на Земле и формировании протекающих метеопроцессов, не могут быть детально исследованы существующими радиолокационными и лидарными станциями [2].

Большие возможности для исследования нижних слоев атмосферы предоставляют методы дистанционного зондирования с использованием звуковых волн - акустический и радиоакустический методы. Звуковые волны гораздо интенсивнее взаимодействуют с атмосферой, чем электромагнитные волны радио и оптического диапазонов, что, с одной стороны, расширяет их возможности по оцениванию метеопараметров, с другой стороны, снижает проникающую способность, а, следовательно, дальность зондирования. В соответствии с этим диапазон дальности акустических и радиоакустических локаторов ограничен, как правило, высотами порядка нескольких километров, а наиболее подходящим объектом для их использования является атмосферный пограничный слой (АПС) [2,4].

В методе радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы определение метеопараметров осуществляется по характеристикам радиосигнала, отраженного от распространяющегося в атмосфере звука.

Дистанционное зондирование атмосферы акустическими волнами основано на рассеянии звуковых волн мелкомасштабными неоднородностями показателя преломления, обусловленными турбулентными флуктуациями температуры, скорости ветра и влажности.

За всю сорокалетнюю историю метода РАЗ отношение к нему исследователей и потенциальных потребителей информации неоднократно менялось от восторженно-оптимистического до крайне пессимистического и наоборот. Вначале это было связано с тем, что метод сразу был предложен как практический для определения метеопараметров до высот в несколько десятков километров. Однако многочисленные аспекты распространения звука в реальной атмосфере и механизма взаимодействия радиоволн со звуком не были к тому времени в достаточной степени изучены.

1.2 Параметры некоторых аналогичных систем

Первые попытки по созданию реальных систем РАЗ были предприняты в США в 1961 году При испытании установки радиоакустического зондирования не удалось получить отраженный радиосигнал с высот более 30 метров и теоретические и практические работы в данном направлении были прекращены.

Установка(EMAC)работала на звуковой частоте 22кГц, а ее диапазон высот при этом был ограничен 30 метрами. Неудачи в этой первой попытке обуславливались, в первую очередь, опрометчивым выбором звуковой частоты, при которой, для того, чтобы скомпенсировать поглощение, осуществили наращивание акустической мощности источника звука, что привело к образованию ударных звуковых волн, быстро рассеивающих свою энергию в атмосфере. Положительными особенностями этой установки можно считать ее малые геометрические размеры, которые позволяют говорить о ней как о мобильной, допускающей размещение на различных подвижных объектах. Применение низких звуковых частот для радиоакустической системы зондирования атмосферы (РСЗА) в других попытках позволило получить дальность зондирования до 1,5км, но разрешающая способность при этом по дальности была очень низкой (около 200м). Кроме того, при наличии ветра высота зондирования значительно уменьшалась.

Использование при эксперименте импульсного доплеровского радиолокатора хотя и позволило сделать установку(RASS-1), но она оказалась непригодной для целей исследования загрязнений приземного слоя атмосферы. Стремление к расширению диапазона высот зондирования привело к модернизации этой установки: импульсный доплеровский радиолокатор был заменен непрерывным, работающим на той же частоте(36,8МГц), в ущерб габаритам установки.

Дальность зондирования была доведена до 3км(при благоприятных атмосферных условиях), а ограничение высоты снизу скомпенсированы установкой дополнительных антенн доплеровского радиолокатора с меньшей базой(14м).

Разрешающая способность по дальности могла варьироваться в диапазоне 120…200м.

Первые попытки по созданию мобильных установок радиоакустического зондирования атмосферы воплотились в экспериментальном устройстве HF-RASS, работающем на звуковой частоте 1кГц, которое позволило осуществлять прием рассеянного звуковой посылкой радиосигнала до высоты почти 1км. База антенны радиолокатора, работающего в непрерывном режиме на f = 400МГц, составила 6м при бистатическом способе приема сигнала.

Успешными явились также эксперименты, проведенные в институте физики и атмосферы АН СССР по применению в качестве доплеровского радиолокатора приемо-передающего блока измерителя скорости и угла сноса самолета ДНСС-ЗЛ, что позволило создать компактную РСЗА, работающую на звуковой частоте 22,5кГЦ, база радиоантенны составляет всего 0,55м. Установка РАЗ позволила получить уверенный рассеянный звуковыми посылками сигнал до высот 30-35м[4]. Радиоакустическая система, разработанная проблемной лабораторией зондирования атмосферы Харьковского института радиоэлектроники работает в дециметровом диапазоне волн (λе=10см, λа=5см). Система является мобильной и предназначена для измерения вертикальных профилей температуры и ветра. В системе предусмотрена компенсация ветрового сдвига акустического пакета [3].

Основные технические характеристики системы РАЗ сведены в таблицу 1.1

Таблица 1.1 -Параметры экспериментальных систем

Параметры установки	Тип установок
	EMAC	RASS-1	RASS-2	HF-RASS	РАЗ(ИФА)	РАЗ(ХИРЭ)
Длина электромагнитной волны, м	0,03	8	8,15	0,68	0,03	0,1
Длина звуковых волн, м	0,015	4	4,07	0,34	0,014	0,05
Излучаемая мощность доплеровского радиолокатора, Вт	-	320	8	1,0	5,0	3
Характер излучения доплеровским радиолокатором	непр.	имп.	непр.	непр.	непр.	непр.
Характер излучения акустического сигнала	имп.	имп.	имп.	имп.	имп.	имп.
Максимальная дальность действия, м	30	1500	3000	1000	35	300
Минимальное значение дальности зондирования, м	-	600	≈200	≈100	-	20
Разрешающая способность по дальности, м	-	200	≈150	≈30	-	3-5

Проводя сопоставление основных параметров экспериментальных систем по таблице 1.1 и зависимостей отношения принимаемой мощности к излучаемой от расстояния и частоты акустической волны, можно сделать вывод, что для дистанционного РАЗ атмосферы при исследовании метеорологической обстановки необходимо РСЗА, у которых доплеровский радиолокатор работает в непрерывном режиме, а акустический преобразователь работает на частоте звука, лежащей в интервале 1…8кГц, что позволит получить дальность зондирования РСЗА от 300м до 1км, при хорошей разрешающей способности по дальности(≤40м)и малых габаритах.

Новая волна интереса к методу РАЗ с начала 70-х годов связана с именем американского ученого Маршалла, который, опираясь на исследования поглощения звука различных частот во влажном воздухе, выполненные Харрисом, пересмотрел существовавшие энергетические представления о методе.

К середине 80-х годов, когда сформировались принцип построения и структура доплеровской радиоакустической системы (РАС), в мире насчитывалось около 10 работающих установок РАЗ [4].

Отличия известных установок состояли, в основном, в используемых диапазонах длин волн, мощностях излучения и числах длин волн в акустическом импульсе. Заметим, что число длин волн в акустическом импульсе (длительность акустической посылки) легко может быть изменено и не является в этом смысле существенной характеристикой.

Все имевшиеся к тому времени системы (кроме ЕМАС и РАЗ-10) были стационарными. В качестве передающих и приемных радиоантенн чаще всего использовались параболические зеркальные антенны, в качестве акустических излучателей - решетки динамиков.

В методе радиоакустического зондирования, основанном на радиолокации распространяющейся в атмосфере звуковой волны, получение отраженного сигнала становится возможным в силу частичного отражения радиоволны от акустических колебаний, которые, распространяясь в атмосфере, модулируют плотность воздуха и, следовательно, создают неоднородности диэлектрической проницаемости.

Наибольшее развитие и распространение среди акустических способов измерения параметров атмосферы получили метод определения скорости и направления ветра по доплеровскому сдвигу частоты рассеянных сигналов и амплитудный метод определения параметров турбулентности [16].

Преимущества применения радиоакустических локаторов по сравнению с другими дистанционными средствами зондирования, проявляются в наибольшей степени при измерении температурных профилей в нижней тропосфере. В настоящее время РАЗ - единственный дистанционный метод, обеспечивающий на практике приемлемую точность измерений температуры в данном высотном диапазоне.

1.3 Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы

Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы состоит в том, что вместо обычно выпускаемого шар-зонда или радиозонда в атмосферу излучаются короткие посылки звуковых волн высокой интенсивности, скорость и направление распространения которых измеряются с помощью доплеровского радиолокатора.

На пути своего распространения звуковые волны создают периодические изменения диэлектрической проницаемости воздуха, которые способны рассеивать электромагнитные волны с когерентным сложением рассеянной энергии. Особенность систем РАЗ состоит в необходимости выполнения условия Брэгга (1.1), которая диктуется как энергетическими, так и информационными соображениями, то есть соблюдение условия резонансной дифракции электромагнитного излучения на решетке, созданной распространяющимися звуковыми волнами в атмосфере. Объяснить дифракцию Брэгга можно тем, что падающая под углом к звуковой решетке электромагнитная волна частично отражается от неё, а интерференция отраженных волн определяет интенсивность дифрагированной энергии (Рис.1.1).

Рисунок 1.1 - Схема отражения электромагнитного излучения от максимумов деформации в звуковой волне

Интенсивность дифрагированной электромагнитной энергии будет максимальна, если разность хода электромагнитных волн, отраженных от соседних максимумов деформации воздушной среды удовлетворяет условию Брэгга:

(1.1)

где

(1.2)

- разность фаз отраженных электромагнитных волн;

- длина звуковой волны;

- длина электромагнитной волны;

- угол рассеяния электромагнитных волн.

Падение электромагнитных волн на звуковую решетку будет близко к нормальному в случае вертикального зондирования и рассматривая гипотетическую «прямоугольную» звуковую волну, на каждой поверхности сжатия-разрежения часть падающей электромагнитной энергии будет отражаться. Квадрат модуля коэффициента отражения по мощности определяется в этом случае выражением [7]:

(1.3)

где - на границе сред 1 и 2;

- на границе сред 2 и 3.

имеет место, когда , где -любое печатное целое число.

Коэффициент отражения будет максимальным при =1.

Реальный пакет звуковых волн, распространяющихся в атмосфере, создает синусоидальное изменение . Максимум отражения в этом случае также будет при =1.

Здесь - любое положительное целое число.

Коэффициент отражения по мощности выражается по формуле:

(1.4)

где -постоянная отражения для воздуха;

- число длин волн в звуковой посылке;

- интенсивность акустической волны в точке отражения;

- - эталонная интенсивность акустической волны.

Из анализа выражения для ρ следует, что увеличение длительности звуковой посылки, увеличивает уровень отраженного сигнала. Одновременно сужает ширину полосы, затрудняя настройку акустического отражателя в резонанс, т.е. выполнение условия . Следовательно, длительность зондирующей звуковой посылки определяется по формуле:

(1.5)

где -длительность зондирующей звуковой посылки;

- разрешающая способность по дальности;

- скорость распространения звука.

1.4 Проверка условия Брэгга

Кроме явления когерентного сложения рассеянной звуковой посылки электромагнитного излучения, приводящего к увеличению интенсивности рассеянного радиоизлучения при РАЗ атмосферы с разнесенными источниками электромагнитного и акустического излучения, действует фокусирующая способность распространяющихся звуковых фронтов, которые представляют собой протяженные сферические отражатели, осуществляющие фокусировку отраженного сигнала к месту расположения приемной антенны доплеровского радиоканала.

При использовании простых акустического и электромагнитного зондирующих сигналов изменение с высотой температуры и радиальной скорости ветра приводит к нарушению соотношения Брэгга. Достаточно сильный отраженный сигнал существует только в некотором диапазоне высот, причем, чем больше длительность акустического импульса (число длин волн в импульсе), тем меньше этот диапазон [4].

Настройка на условие Брэгга для каждой из точек профиля («площадок») вручную путем изменения частоты излучаемого звукового сигнала занимает достаточно много времени, которое в зависимости от количества «площадок» может составлять 0,5 - 3 часа.

Используемый алгоритм измерений значительно ограничивает оперативность получения профилей метеопараметров - качество, являющееся одним из основных потенциальных достоинств метода. Кроме того, такое время соизмеримо со временем квазистационарности процессов в атмосфере, в течение которого можно производить осреднение.

Поэтому с самого начала развития метода РАЗ стали делаться попытки получения профилей «по одной звуковой посылке» с подстройкой частоты акустического излучения в среднем по трассе, однако достаточный для регистрации уровень отраженного сигнала даже при благоприятных метеоусловиях удалось получить только из нескольких соседних точек профиля. Нарушение при этом условия Брэгга в крайних точках, в которых удается зарегистрировать сигнал, приводит к появлению ошибок в определении температуры порядка 0,5 - 20 С. Указанная ошибка не превышает случайных ошибок радиозондов, но оказывается коррелированной с градиентом температуры, причем, градиент всегда занижается по абсолютной величине. И хотя общее время измерения температурного профиля по такой методике значительно уменьшается, однако появляется неслучайная ошибка, которая не может быть уменьшена осреднением и коррекцией результатов измерений.

Кардинальным решением вопроса о повышении оперативности радиоакустического зондирования и точности измерения метеопараметров является подстройка частоты электромагнитного излучения под условие Брэгга по мере продвижения простого акустического импульса в атмосфере.

Поскольку обеспечить выполнение условия Брэгга во всем диапазоне изменения акустических длин волн с помощью подстройки частоты радиосигнала не представляется возможным, то медленные (в том числе сезонные и суточные) изменения метеопараметров целесообразно компенсировать подстройкой частоты звукового генератора. Такая периодическая подстройка частоты звука может быть выполнена по прямым измерениям температуры и скорости ветра у поверхности земли и может осуществляться автоматически либо оператором. Компенсацию быстрых изменений длины акустической волны (в течение времени распространения акустического пакета) необходимо производить изменением частоты радиоизлучения. Так, чтобы обеспечить выполнение условие Брэгга при изменении температуры атмосферы с высотой на 100 С необходимо иметь возможность перестройки частоты радиосигнала в пределах 1,5 % с точностью порядка 0,05 % и скоростью порядка 0,1 % за 0,1 с [4].

Однако сведения об успешной реализации подобных процедур на практике отсутствуют, что объясняется технической сложностью задачи, с одной стороны, и несовершенством алгоритмов управления частотами зондирующих сигналов - с другой.

1.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ

Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ производят по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от звуковой посылки радиосигнала:

. (1.6)

Эти измерения являются основными при определении температуры среды и компонентов скорости ветра [3].

Теоретическим и практическим вопросам точности оценивания температуры методом РАЗ в литературе уделяется значительное внимание. В 80-е годы данный вопрос обсуждался для случая, когда компенсация лучевой скорости ветра осуществляется по данным акустического локатора. Результаты этих исследований достаточно подробно представлены в [4].

Авторы Страут Р., May P.T были первыми, кто учел на практике при измерении температуры с помощью РАЗ-профилера вертикальное движение воздуха. Это стало возможным после разработки соответствующего спектрального процессора, позволяющего оценивать наряду с достаточно большим доплеровским сдвигом, порождаемым акустической волной, сравнительно малое значение доплеровской частоты, обусловленное ветром. Выполнение коррекции позволило значительно уменьшить расхождение между данными РАЗ и радиозонда.

Однако систематическое отклонение в результатах продолжает присутствовать: температура, полученная методом РАЗ, отличается от температуры, измеренной радиозондом на той же высоте.

В работе [10] предложен подход, позволяющий оценивать погрешности температурных измерений с помощью метода РАЗ, которые зависят от величины горизонтального ветра, положения акустического источника по отношению к антенне радара и от интенсивности турбулентности в нижней части зондируемого слоя.

В статье [32] анализируется составляющая ошибки, обусловленная различием в интенсивностях радиосигнала, рассеянного различными частями акустической посылки. Сигнал, полученный от нижней части пакета, является более интенсивным, чем от верхнего участка, и в результате измеренная с помощью РАЗ температура оказывается выше физической средней температуры в пределах интервала разрешения. Обсуждается также возможность дальнейшего уточнения коэффициента в формуле (1.6).

Способ четырех зондирований для определения температуры и полного вектора скорости ветра состоит в следующем [4]. Последовательно производится зондирование атмосферы в четырех различных направлениях и решаются системы уравнений, полученные для совокупности выбранных высот, относительно температуры и трех составляющих скорости ветра . Геометрия метода четырех зондирований представлена на рис. 1.2.

Рис.1.2 - Схема зондирования в четырех направлениях

, 2,3, 4 - направления зондирования.

Скорость распространения звука в -м направлении:

, (1.7)

где - направляющие косинусы -го направления зондирования.

В матричном виде система уравнений имеет вид

, (1.8)

где - вектор неизвестных;

Углы определяют направление зондирования.

Решение матричного уравнения позволяет получить значение температуры и составляющих скорости ветра [15]

. (1.9)

Методика зондирования в двух направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, позволяет приближенно оценить составляющие горизонтального ветра . Вертикальная составляющая ввиду ее малости при этом считается равной нулю.

Способ радиоакустического определения влажности основан на значительной зависимости коэффициента затухания звуковых волн от упругости водяного пара. Для определения влажности воздуха методом РАЗ требуется выполнить зондирование на двух акустических частотах, характеризующихся существенным различием в значениях . Измеряются амплитуды радиосигналов, рассеянных звуковыми волнами. Метод сложен в практической реализации и не обеспечивает хорошей точности в силу зависимости амплитуды отраженного радиосигнала от многих других параметров атмосферы: температуры; скорости ветра; параметров турбулентности.

Комбинированные системы РАС - РВП позволяют измерять скорость звука, скорость ветра и температуру, а также их флуктуации.

Важной характеристикой систем дистанционного зондирования атмосферы является их пространственное разрешение. В системах радиоакустического зондирования в случае измерения по проходу одного акустического импульса пространственное разрешение определяется продольным и поперечным размерами акустического пакета. При зондировании в нескольких направлениях значения метеовеличин находятся как средние для той части пространства, которая ограничена выбранными направлениями зондирования [5].

Кроме того, при последовательном зондировании в различных направлениях к разнесению измерений по пространству добавляется разнесение по времени. По этой причине таким способом можно измерять лишь средние по пространству и по времени значения метеовеличин. В некоторых задачах требуется измерение «мгновенных» значений метеовеличин вдоль заданного направления.

Получение профилей параметров атмосферы зондированием в нескольких направлениях требует также выполнения большого числа единичных измерений. Для зондирования в четырех направлениях их число определяется формулой , где - количество точек в профиле; - количество измерений в каждой точке для одного направления.

В условиях нестационарного протекания атмосферных процессов увеличение числа измерений с целью уменьшения ошибки после превышения некоторого интервала времени приведет к росту результирующей погрешности.

Ошибки, вызванные нестационарностью процессов в атмосфере, имеют место и при определении профиля полного вектора скорости ветра РВП путем зондирования в нескольких направлениях.

Излученный в атмосферу акустический импульс переносится горизонтальным ветром, что приводит к изменению взаимного угла наклона фронтов акустической и электромагнитной волн. Отражение радиоволн от сферических волновых фронтов, созданных акустическим импульсом, является зеркальным. Следовательно, это приводит к перемещению пятна отраженных колебаний в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли. Величина перемещения является наибольшей при зондировании в направлениях, перпендикулярных вектору скорости горизонтального ветра [5]. При зондировании в наклонных направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, проекция этого вектора на направление зондирования увеличивается, и смещение пятна уменьшается. Но даже при работе в этих направлениях энергетический потенциал системы, заложенный в акустическом и радиоканалах, реализуется далеко не полностью.

Так как в методике двух зондирований излучение осуществляется в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, то дальность при этом будет несколько выше, чем при четырех зондированиях [4].

Значительное влияние на дальность радиоакустического зондирования оказывают также следующие процессы: молекулярное поглощение энергии акустических волн во влажном воздухе; уменьшение интенсивности отраженного радиосигнала (в пятне) вследствие влияния турбулентности на акустический пакет.

В отличие от скорости ветра эти факторы определяют потенциальный «потолок» систем РАЗ и для заданного частотного диапазона влияние их на дальность зондирования уменьшить нельзя (заметим, что первое из этих ограничений может быть уменьшено соответствующим выбором частоты акустического сигнала). В реальных ветровых условиях сдвиг пятна превалирует над другими ограничивающими дальность факторами [4]. Следовательно, естественным способом совершенствования основной схемы РАЗ является использование приемной дискретной антенны достаточно больших размеров, позволяющей принимать отраженный радиосигнал при сносе акустического пакета ветром.

Это увеличивает дальность действия системы, а дискретный характер антенны позволяет отслеживать движение пятна отраженного сигнала в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли (в плоскости приемной антенны).

Осуществляя измерение координат центра пятна и доплеровского сдвига частоты отраженного радиосигнала, можно восстановить профили скорости и направления горизонтального ветра по одной звуковой посылке, а при дополнительном измерении доплеровской частоты отраженного акустического сигнала еще определять вертикальную составляющую скорости ветра и температуру атмосферы.

Излучение акустического волнового пакета в наклонном направлении позволяет также определять при соответствующей обработке сигнала «мгновенные» значения указанных метеовеличин вдоль выбранного направления зондирования.

По результатам измерения составляющих скорости ветра можно вычислить модуль и направление вектора горизонтального ветра, а также определить такие важные для метеообеспечения взлета и посадки летательных аппаратов характеристики, как модуль и направление вектора вертикального сдвига горизонтального ветра.

1.6 Трудности на пути исследований

Отсутствие или недостаточное развитие методов анализа, обоснования и выбора зондирующих сигналов, а также исследования систем в целом чрезвычайно сузило диапазон возможностей, имеющихся в распоряжении разработчиков аппаратуры, и обусловило в конечном итоге небогатый набор известных структур систем, методик зондирования и небольшое число измеряемых метеопараметров.

Имеющееся положение обусловлено, видимо, тем, что ведущие позиции и научный авторитет в данном направлении (в вопросах зондирования атмосферы) принадлежит физикам-метеорологам и особенно радиофизикам, занимающимся вопросами распространения и рассеяния волн в атмосфере, среди которых такие известные имена как Обухов А. М., Татарский В. И., Каллистратова М. А., Кон А. И., Peters G. и др. Подавляющее большинство известных установок радиоакустического зондирования созданы под идейным руководством специалистов данного направления. Вопросы, связанные с проектированием аппаратуры, при этом решались в основном путем заимствования известных решений из радиолокации с учетом имеющихся особенностей радиоакустического зондирования.

Доминирующая точка зрения на РАС заложена еще основателями метода, которые предложили его сразу как практический и сформировали соответствующее к нему отношение. Первые неудачи, приведшие к «замораживанию» метода на десять лет, и последующие сложности в его освоении заставили более тщательно анализировать радиофизическую сторону метода: распространение акустической и электромагнитной волн в атмосфере и взаимодействие их между собой.

Однако отношение к аппаратуре осталось прежним на многие годы, «потребительским». Считается, что РАС - инструмент для измерений, область, на которую практически полностью переносятся представления классической радиолокации, «железо», которым должны заниматься инженеры. Об этом свидетельствует и анализ литературных источников: менее 10 % всех публикаций в данной области посвящено аппаратурным вопросам. Причем в них, как правило, приводится только констатирующее описание существующих или вновь созданных станций, которые в значительной степени повторяют друг друга.

Отдельно в этом ряду стоят работы ученых ХНУРЭ [2], в которых системы РАЗ выступают как объект исследования. Учеными университета созданы основы построения доплеровских систем данного класса, предложены и исследованы различные схемы обработки сигналов, другие радиоустройства, а разработка и метрологическая аттестация методов измерения параметров атмосферы производится в этих работах с учетом не только геофизических, но и аппаратурных погрешностей.

В других коллективах, специализирующихся по вопросам зондирования атмосферы, инженеры, непосредственно занимающиеся разработкой и эксплуатацией аппаратуры, ограничены выполнением, как правило, только технических функций. Достаточная самостоятельность им предоставляется лишь в схемотехнических вопросах. Идейное руководство процессом проектирования и решающее слово при выборе принципов построения и структуры системы здесь принадлежат специалистам, занимающим ведущие (административные и научные) позиции в данных коллективах, профиль этих специалистов, как правило, не является «системным», т. е. не связан непосредственно с проектированием и разработкой радиоаппаратуры. Прежде всего, видимо, такое зависимое положение не позволило инженерам этих коллективов перевести часто встречающиеся в процессе проектирования и эксплуатации трудности и задачи практического характера на уровень задач научных.

С другой стороны, в силу естественного разделения научного труда радиофизики и геофизики также не готовы к выполнению подобных исследований, поскольку не обладают достаточными знаниями и кругозором в области радиосистем. Только этим обстоятельством можно объяснить, например, тот факт, что специалисты радиофизического направления, проанализировав первыми рассеяние звука и радиоволн на турбулентных неоднородностях среды, а также радиоволн на звуке, не увидели возможностей практической реализации теоретически изученных явлений в соответствующих локаторах, предназначенных для исследования атмосферы.

Таким образом, приходим к выводу, что имеющаяся теория радиоакустического зондирования не содержит в себе эффективных теоретических методов исследования расдаров, а теория оптимизации систем РАЗ существует настолько, насколько справедливы известные радиолокационные воззрения по отношению к этим системам.

Используемый экспериментально- эвристический подход в значительной степени предопределил достигнутые к настоящему времени успехи в развитии метода и систем РАЗ, однако он же и замедлил последующее развитие направления, поскольку далеко не все вопросы системного, технического характера в данной области можно эффективно решить таким путем в силу специфики РАЗ. Либо применяемые решения могут оказаться очень далекими от оптимальных.

1.7 Особенности метода РАЗ

Специфические особенности систем радиоакустического зондирования атмосферы обусловлены прежде всего особенностями использования в качестве радиолокационной цели такого необычного объекта как акустический волновой пакет. Для радиоволн данная цель является «частично прозрачным» частотно-зависимым объектом, имеющим когерентный характер распределения неоднородностей показателя преломления в продольном и поперечном направлениях, зависимости от продольной и поперечной координат могут быть адаптивным образом изменены при излучении. Объект радиолокационного наблюдения также сравнительно легко поддается воздействию атмосферных процессов и под их влиянием существенно изменяет свое местоположение, параметры движения и внутреннюю структуру.

Особенности объекта накладывают достаточно жесткие ограничения на структуру и параметры излучаемой радиоволны, с одной стороны, и порождают специфические свойства рассеянного радиосигнала - с другой: сигнал содержит когерентную и некогерентную составляющие; фокусируется определенным образом в пятно на поверхности земли и т. д.

При таком рассмотрении становятся очевидными требования, формируемые используемым рассеивающим объектом к радиопередающей и радиоприемной частям системы что выделяет РАС в специфический класс локационных систем.

В настоящее время применяют также развернутые комплексные системы, включающие в себя наряду со средствами дистанционного зондирования, основанными на различных принципах, работающими в различных частотных диапазонах и по различным методикам, и различную контактную аппаратуру, расположенную, в том числе, на носителях, способных поднимать ее над поверхностью земли. Из средств дистанционного зондирования при этом чаще всего используют содары, мини-содары, станции РАЗ, ветровые профилеры, лидары, спектрометры и радиометры.

2. Системы Радиоакустического зондирования

2.1 Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования

Принцип метода радиоакустического зондирования заключается в следующем. В атмосферу направленно излучается звуковой сигнал, который, распространяясь, взаимодействует с ней. Рассеянное неоднородностями или приходящее излучение принимается приемной антенной, и по его параметрам судят о характеристиках атмосферы.

Следовательно, основной набор элементов, необходимых для радиоакустического зондирования, содержит передающую систему для направленного излучения акустической энергии в заданную область атмосферы и чувствительную приемную систему для регистрации и обработки рассеянного сигнала.

По виду используемого излучения различают системы с импульсным и непрерывным излучением, которое может быть, например, частотно-модулированным. Импульсные системы зондирования удобны для измерений профилей атмосферных параметров, а системы с непрерывным излучением - для непрерывного контроля изменений параметров в исследуемом объеме атмосферы и характеризуются повышенной помехоустойчивостью.

Системы радиоакустического зондирования могут быть также одноканальными (один приемо-передающий канал), двух- и трехканальными. Разделение приемо-передающих каналов может быть как пространственное, образованное многолучевой антенной системой с различной ориентацией диаграмм направленности (ДН), так и частотное. Естественно, подразумевается параллельная работа каналов. Многоканальными могут быть не только однопозиционные моностатические локаторы, но и многопозиционные. Например, бистатический локатор может быть одноканальным с раздельно работающими передатчиком и приемником и двухканальным с обратимым передатчиком. При измерениях скорости ветра, одно-, двух- и трехканальные локаторы чаще всего называют одно-, двух- и трехкомпонентными соответственно по числу одновременно измеряемых компонент вектора скорости ветра, а при многочастотном зондировании - одно-, двух- и трехчастотными. Радиоакустические локаторы могут быть со сканированием (переключением) по углу - азимутальному или углу места для измерения профилей метеопараметров либо со сканированием по частоте - многочастные.

По виду получаемой информации радиоакустические локаторы можно также поделить на два типа: к первому, чаще всего встречающемуся, относятся импульсные моностатические локаторы с факсимильной регистрацией сигнала, ко второму типу - локаторы с системами обработки сигналов для получения количественной информации о параметрах атмосферы.

2.2 Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты

При проектировании и эксплуатации радиоакустических локаторов важен выбор таких параметров локатора, которые бы обеспечивали наилучший режим его работы. Наиболее простой и достаточно полной характеристикой качества системы зондирования является отношение средних мощностей сигнала и шума. По значениям этой величины можно следить в целом за работой акустического локатора. Добившись максимального отношения сигнал/шум, можно считать, что система функционирует в оптимальном режиме.

Несущая частота является одним из основных параметров радиоакустического локатора. Имеющиеся оценки указывают на сильную частотную зависимость мощности принимаемого сигнала, а следовательно, и максимальной дальности зондирования.

С увеличением частоты, с одной стороны, увеличивается направленность и пространственное разрешение при заданных габаритах антенной системы, уменьшается уровень окружающих шумов и растет доля рассеянной энергии распространяющейся звуковой волны, а с другой стороны, усиливается ослабление этой волны. Вследствие компромисса между перечисленными факторами получается некоторая оптимальная (по какому-либо критерию) частота для заданных условий.

Наиболее простым и удобным при нахождении оптимальных частот является критерий максимизации отношения сигнал/шум на входе приемной части локатора. Для целей радиоакустического зондирования атмосферы задача решалась в случае вертикального моностатического зондирования. При этом учитывались некоторые частные модели спектра шума, а также только классическое поглощение звука, которое составляет лишь малую часть полного ослабления.

2.3 Предпосылки исследования нижних слоев атмосферы

Радиолокационные и лазерные средства позволяют получать ценную метеоинформацию с достаточно больших территорий и высот. Однако приземный и пограничный слои атмосферы, а также прилегающие к ним области высот, не могут быть детально исследованы существующими радиолокационными и лидарными станциями [8].

В АПС, высота которого колеблется в зависимости от конкретных условий от 100 м до 2 км, происходит обмен количеством движения, влагой и теплом между подстилающей поверхностью и свободной атмосферой. Значительное влияние на процессы в АПС оказывают радиационные условия, рельеф земной поверхности, орография, а также процессы синоптического масштаба.

Разнообразием наблюдаемых условий и сложностью процессов объясняется отсутствие в настоящее время приемлемой теории и даже общепринятой параметризации пограничного слоя. Поэтому при решении различных научных и практических задач, требующих определенных сведений о метеорологических процессах АПС, возрастает необходимость в экспериментальных методах исследования (методах зондирования) атмосферы, позволяющих с достаточной точностью и пространственно-временным разрешением получать информацию о метеовеличинах и параметрах турбулентности в данном слое.

Можно выделить следующие основные виды взаимодействия звуковых волн со средой, которые могут быть положены в основу методов определения параметров атмосферы [16]:

зависимость скорости звука от значений метеопараметров;

рассеяние на неоднородностях;

поглощение, имеющее сильную частотную зависимость;

рефракция;

доплеровский сдвиг частоты при отражении от движущихся неоднородностей;

флуктуации амплитуды и фазы волны, обусловленные турбулентностью.

Дистанционное зондирование атмосферы акустическими волнами основано на рассеянии звуковых волн неоднородностями показателя преломления, обусловленными турбулентными флуктуациями температуры, скорости ветра и влажности. Задача о рассеянии звуковых волн в современной ее постановке была сформулирована и решена в общем виде впервые Обуховым А. М. Значительный вклад в развитие данного направления внесли эксперименты, выполненные Каллистратовой М. А. [4], которые доказали возможность наблюдения и применения данного эффекта.

2.4 Необходимые условия

Достаточный для обработки и регистрации уровень отраженного радиосигнала может быть получен только в случае выполнения некоторых условий [2, 4]. Необходимо отражение от акустических волн длиной при , во-вторых, требуется выполнение условия Брэгга

, (2.1)

где - длина электромагнитной волны;

- длина волны акустических колебаний;

- угол между фронтом акустической волны и направлением распространения радиоволны.

Выполнение условия Брэгга приводит к тому, что радиоволны, отраженные от различных участков акустического цуга, складываются синфазно, и амплитуда суммарного отраженного радиосигнала увеличивается. В радиоакустическом зондировании излучение радио- и акустической волн обычно производят совмещенными или близко расположенными источниками, а интересуются обратным рассеянием. Угол при этом равен или близок к этому значению.

Кроме явления когерентного сложения рассеянных звуком радиоволн для РАЗ характерно также фокусирующее действие распространяющихся звуковых фронтов, представляющих собой протяженные сферические отражатели [2,4]. Отраженный радиосигнал вследствие этого представляет собой у поверхности Земли пучок сферических сходящихся волн. След пучка на горизонтальной плоскости получил название «пятна». Фокусирование электромагнитных колебаний и их синфазное сложение при отражении от различных участков акустической волны могут обеспечить значительные энергетические преимущества метода, однако для этого требуется выполнение определенных условий, накладываемых на аппаратуру и параметры излучаемых сигналов.

Влияние неоднородностей атмосферы на звуковые волны значительно сильнее, чем на электромагнитные колебания. Так, звуковые волны в 106 чувствительнее радиоволн к турбулентным температурным неоднородностям атмосферы [16]. В связи с этим в задаче радиоакустического зондирования можно пренебречь влиянием неоднородностей атмосферы на распространение радиоизлучения и ограничиться их влиянием только на параметры звукового излучения. При этом звуковые колебания выступают своеобразным датчиком, а радиоволны - переносчиком информации, что делает метод радиоакустического зондирования достаточно чувствительным к изменениям метеопараметров в атмосфере и защищенным от негативного влияния среды при переносе информации от исследуемого слоя к поверхности земли.

2.5 Практическое применение метода радиоакустического зондирования атмосферы

В настоящее время РАЗ - единственный дистанционный метод, обеспечивающий на практике приемлемую точность измерений температуры в данном высотном диапазоне.

В соответствии со своими возможностями средства акустического и радиоакустического зондирования находят применение при решении следующих практически важных задач.

. Получение больших массивов экспериментальных данных по распределению метеопараметров в пограничном слое атмосферы. Это необходимо для создания общей теории АПС [4].

. Долгосрочное и оперативное прогнозирование атмосферных загрязнений в крупных городах и промышленных районах. Состоит в предварительном детальном изучении средних значений метеопараметров и их изменчивости (например, розы ветров) в местах постройки химических и металлургических комплексов, а также оперативном предсказании опасных для загрязнения воздуха метеорологических ситуаций [2].

. Повышение безопасности взлета и посадки летательных аппаратов [17]. Эта задача решается путем непрерывного контроля метеорологических, прежде всего ветровых, условий вблизи взлетно-посадочных полос аэродромов.

. Исследование различных аспектов распространения радио и световых волн в пограничном слое путем контроля пространственно-временных изменений электромагнитных параметров атмосферы [18]. Долговременные данные о распределении электромагнитных параметров могут, например, использоваться при выборе мест для строительства обсерваторий и РЛС слежения за спутниками.

. Изучение и прогнозирование условий распространения акустических шумов [24], в частности, условий распространения мощных звуковых помех на приземных трассах на значительные расстояния.

. Измерение метеопараметров в процессе проведения оперативных работ по активным воздействиям на туманы (например, с целью «вскрытия» взлетно-посадочных полос аэродромов).

Несмотря на значительные успехи в развитии дистанционных методов, они в настоящее время не могут полностью заменить традиционную метеорологическую технику, поскольку также обладают рядом ограничений и нуждаются в дальнейшем развитии и совершенствовании.

2.6 Выбор метода исследований

Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ производят по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от звуковой посылки радиосигнала

. (2.2)

Эти измерения являются основными при определении температуры среды и компонентов скорости ветра [22].

В случае зондирования в одном направлении возможно определение температуры. При этом неопределенность слагаемого вносит в значение температуры ошибку, которая оценивается по формуле:

. (2.3)

Для повышения точности определения температуры атмосферы применяют либо осреднение результатов некоторого числа измерений скорости звука, используя предположение о близости среднего значения вертикальной составляющей скорости ветра к нулю, либо измеряют ее по доплеровскому сдвигу частоты отраженного акустического сигнала, полученного из той же области, что и электромагнитный сигнал. Если измерение скорости звука производят с использованием профилера, то для коррекции температуры используют значение лучевой скорости ветра, определяемое по отражениям от ясного неба.

Авторы Петерс и Аргеван были первыми, кто учел на практике при измерении температуры с помощью РАЗ-профилера вертикальное движение воздуха. Это стало возможным после разработки соответствующего спектрального процессора, позволяющего оценивать наряду с достаточно большим доплеровским сдвигом, порождаемым акустической волной, сравнительно малое значение доплеровской частоты, обусловленное ветром. Выполнение коррекции позволило значительно уменьшить расхождение между данными РАЗ и радиозонда.

Возможна комбинированная методика [24], состоящая в определении вертикальной компоненты скорости ветра по результатам измерений вертикальным моностатическим содаром и температуры в результате совместной обработки информации, полученной по акустическому и радиоканалам. Составляющие при этом определяются способом двух зондирований.

Если в расдаре применяется простейший способ определения скорости звука «по площадкам», когда при посылке одного акустического импульса скорость звука определяется лишь в одной точке, то общее время измерения профиля может достигать нескольких часов, а следовательно, на точность полученных значений существенное влияние оказывает нестационарность процессов в атмосфере.

Максимальная дальность действия систем радиоакустического зондирования, построенных по основной схеме, в значительной степени ограничена действием горизонтального ветра. Так, уже при скорости горизонтального ветра 4 - 5 м/с измерение метеовеличин методом зондирования в четырех направлениях становится практически невозможным [19]. Это объясняется смещением пятна отраженных электромагнитных колебаний с апертуры приемной антенны.

Излученный в атмосферу акустический импульс переносится горизонтальным ветром, что приводит к изменению взаимного угла наклона фронтов акустической и электромагнитной волн. Отражение радиоволн от сферических волновых фронтов, созданных акустическим импульсом, является зеркальным. Следовательно, это приводит к перемещению пятна отраженных колебаний в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли. Величина перемещения является наибольшей при зондировании в направлениях, перпендикулярных вектору скорости горизонтального ветра. При зондировании в наклонных направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, проекция этого вектора на направление зондирования увеличивается, и смещение пятна уменьшается. Но даже при работе в этих направлениях энергетический потенциал системы, заложенный в акустическом и радиоканалах, реализуется далеко не полностью.

В отличие от скорости ветра эти факторы определяют потенциальный «потолок» систем РАЗ и для заданного частотного диапазона влияние их на дальность зондирования уменьшить нельзя (заметим, что первое из этих ограничений может быть уменьшено соответствующим выбором частоты акустического сигнала). В реальных ветровых условиях сдвиг пятна превалирует над другими ограничивающими дальность факторами [4]. Следовательно, естественным способом совершенствования основной схемы РАЗ является использование приемной дискретной антенны достаточно больших размеров [4], позволяющей принимать отраженный радиосигнал при сносе акустического пакета ветром.

Наибольшие успехи достигнуты в определении скорости ветра, которая может быть определена по результатам оценивания следующих параметров принимаемого сигнала: доплеровского сдвига частоты; времени запаздывания (времени прохождения сигналом определенной трассы); угла прихода рассеянной волны.

Наиболее разработанным, апробированным и широко применяемым на практике является доплеровский метод.

Доплеровский метод определения скорости ветра основан на измерении доплеровского сдвига частоты акустического сигнала, рассеянного на движущихся под действием ветра неоднородностях атмосферы. Известны две схемы зондирования, используемые при определении данного метеопараметра: моностатическая и бистатическая [16].

В моностатической схеме используется импульсный зондирующий сигнал, а радиальная (вдоль оси диаграммы направленности) составляющая скорости ветра определяется соотношением [16]

, (2.4)

где - частота излучаемой волны;

- доплеровский сдвиг частоты сигнала, полученный при рассеянии;

- частота рассеянного сигнала.

Пространственное разрешение измерений вдоль направления зондирования определяется половиной протяженности импульса , где - длительность импульса, а в поперечном направлении - шириной диаграммы направленности используемой антенны. Чтобы измерить профиль радиальной составляющей скорости ветра требуется осуществлять стробирование по высоте принимаемого сигнала, выделяя соответствующие «площадки».

Полный вектор скорости ветра определяется по результатам зондирования в трех [16] или пяти различных направлениях.

2.7 Актуальность метода

Станции радиоакустического и акустического зондирования активно привлекаются к решению разнообразных научных и прикладных задач, требующих сведений об атмосферных процессах. Однако эффективность их применения в значительной мере ограничивается возможностями существующих технических средств, в то время как возрастающие потребности практики требуют существенного улучшения основных характеристик станций.

Современное состояние теории и техники радиоакустических и акустических систем зондирования не позволяет в полной мере реализовать богатые информационные возможности рассматриваемых методов по измерению параметров атмосферы.

Для более эффективного их использования при решении различных задач требуется улучшать основные показатели качества систем зондирования: точность измерений, дальность действия, пространственное и временное разрешение, помехозащищенность. Требуется также расширять набор измеряемых метеопараметров и улучшать теоретические методы определения показателей качества и метрологической аттестации станций.

3. проектирование моноимпульсной однопозиционной системы радиоакустического зондирования

3.1 Методы измерения сдвига ветра

В настоящее время для метеорологического обеспечения авиации используются результаты вычислений сдвига ветра по измерениям скорости и направления ветра контактными датчиками, расположенными на разных уровнях высотных сооружений в зоне аэродрома. Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять метеопараметры в 300-метровом слое непосредственно над самой взлетно-посадочной полосой, а только на расстоянии нескольких километров от нее на высотах не более 40 - 50 метров с пространственно-временной экстраполяцией результатов. Получаемые результаты только приближенно соответствуют параметрам атмосферы на ВПП, а наиболее опасные атмосферные вихри диаметром 50 - 100 м над ВПП вообще не обнаруживаются.

Сдвиг ветра может быть вычислен по результатам измерения скорости ветра допплеровскими системами акустического или радиоакустического зондирования [4,16] . Недостатками этих методов является необходимость зондирования в нескольких направлениях внутри выбранного пространства конуса с достаточно большим телесным углом.

Радиоакустическое устройство для измерения скорости горизонтального ветра при зондировании атмосферы в одном направлении.

Принцип действия данного устройства: акустический импульс с синусоидальным заполнением излучается вертикально вверх, облучается непрерывным радиосигналом с использованием передающей антенны радиолокационной станции, при этом целью когерентного сложения амплитуд радиосигнала при отражении от перепадов радиоволны λе должна быть в 2 раза больше длины акустической волны λа (условие Брэгга). Отраженный от акустического импульса радиосигнал принимается антенной, диаграмма которой направлена вертикально вверх и в приёмном устройстве измеряются углы прихода в вертикальных взаимоперпендикулярных плоскостях и доплеровский сдвиг частоты. Измеренные величины используются для вычисления скорости и направления горизонтального ветра.

При этом необходимо отметить, что информация об угле прихода отраженного сигнала извлекается с помощью одной неподвижной радиоприемной антенны. Отсюда следует, что в данном устройстве используется пеленгация по методу максимума [28] , т.е. информация об угле прихода содержится в амплитуде отраженного сигнала и времени его прихода. Недостатком такого устройства является то, что, во-первых, устройство не позволяет определить углы прихода отраженного радиосигнала с погрешностью менее полуширины диаграммы направленности приемной радиоантенны на уровне - 3 дБ, поскольку пеленгационная характеристика в данном случае совпадает с диаграммой направленности приемной антенны и на рабочем участке ее крутизна мала [28] ; во-вторых, поскольку реализуются амплитудные измерения, случайные изменения уровня отраженного сигнала, связанные с воздействием атмосферной турбулентности на акустический пакет будут вносить существенную погрешность в результат измерения. Все это приводит к тому, что при реализации радиоакустического способа определения сдвига ветра с погрешностью менее ± (5 - 10) м/с в диапазоне измерения ветра ± 30 м/с не представляется возможным, что не удовлетворяет требованиям авиации [26].

3.2 Конфигурация антенной системы

На рисунке 3.1 представлены траектория движения акустического пакета под действием ветровых потоков и конфигурация антенной системы радиоакустического измерителя.

Рисунок 3.1 - Траектория движения акустического пакета

Радиоакустическое устройство содержит последовательно соединенные генератор импульсов звуковой частоты и акустическую антенну, Последовательно соединенные генератор радиочастоты и радиопередающую антенну А5, четыре радиоприемные антенны А1, А2, А3, А4, блоки суммы-разности , причем антенны А1 и А4 - с первым и вторым входами блока 5, а разностные выходы 2 блоков 3,5 соединены с первыми входами блоков 6,8 усиления сигнала, блок 4 суммы, первый и второй входы которого соединены с суммирующими выходами 1 блоков 3,5, а выход - с первым входом блока 7 усиления сигнала, блок ІО АРУ, вход которого соединен с выходом блока 7, а выход - со вторыми входами блоков 6,7,8 усиления сигнала, фазовращателей, на π/2 9, ІІ, входы которых соединены с выходами блоков 6,8 усиления сигнала, блоки І2,І4 измерения углов прихода α и β отраженного сигнала в плоскостях XOZ и YOZ, первые входы которых соединены с выходами блоков 9, II фазовращателей, а вторые входы - с выходом блока 7 усиления сигнала, блок І3 измерения доплеровской частоты Fд отраженного сигнала, первый вход которого соединен с выходом блока 7 усиления сигнала, а второй вход - с выходом генератора І радиочастоты, генератор І6 синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом генератора 2 импульсов звуковой частоты, вычислительный блок І5, первуй и третий входы котрого соединены с выходами блоков І2, І4 измерения улов α и β, а второй вход соединен с выходом блока І3 измерения доплеровской частоты Fд, а четвертый вход - со вторым выходом генератора І6 синхроимпульсов.

3.3 Анализ работы радиотехнического устройства

Проанализируем работу этого устройства и сформулируем требования к его техническим характеристикам.

Генератор синхроимпульсов запускает генератор импульсов звуковой частоты который с помощью акустической антенны А6 излучает акустический импульс вертикально вверх. Траектории движения акустического пакета под действием воздушных потоков (рис. 3.1) может быть описана как перемещение конца радиус - вектора R(t), соединяющего точку излучения (начало координат) с текущим местоположением акустического пакета. Длина радиус - вектора, изменяющегося во времени, может быть представлена в виде:

(3.1)

и его проекции на оси координат:

(3.2)

(3.3)

(3.4)

где

(3.5)

Излученный акустический импульс соосно облучается непрерывным радиосигналом с помощью генератора І радиочастоты и радиопередающей антенны А5. Отраженный радиосигнал принимается четырьмя радиоприемными антеннами А1-А4, обрабатывается в блоках 4,5 суммы разности, блок 4 суммы, усиливается до необходимого уровня и нормируется с помощью блока ІО АРУ в блоках 6,7,8 усиления сигнала, в блоке І3 измеряется доплеровский сдвиг частоты отраженного сигнала, а в блоках І2, І4 измеряются углы прихода α и β отраженного радиосигнала во взаимноперпендикулярных плоскостях XOZ и YOZ соответственно. Ввиду прямолинейности распространения радиоволн длина вектора R(t) может быть вычислена по измеренному значению радиальной скорости движения пакета

(3.6)

где VR(t) - радиальная скорость распространения акустического пакета, λе - длина радиоволны.

Текущее значение углов α(t) и β(t), характеризующих угловое положение радиус - вектора R(t), содержится в сигналах, формируемых взаимосвязанными приемными антеннами А1,А2,А3,А4 и блоками 3,4,5.

Рассмотрим операции [27] измерения угла α(t) с использованием фазового суммарно-разностного метода, полагая, что угол β=0 (имеется составляющая скорости ветра только в плоскости XOZ). Сигналы на выходах антенн А1 и А4 с идентичными диаграммами направленности при отклонении центра акустического пакета от вертикального (равносигнального) направления вычисляются согласно формулам:

(3.7)

(3.8)

где F(α) - диаграмма направленности антенн А1 и А4, а Δφ - фазовый сдвиг, обусловленный разностью хода отраженного радиосигнала от центра пакета до фазовых центров антенн А1 и А4, причем

(3.9)

где l - расстояние между фазовыми центрами антенн А1 и А4,

λе - длина волны отраженного радиосигнала.

Суммарный и разностный сигналы на выходах 1 (суммарном) и 2 (разностном) блока 3 суммы - разности с учетом баланса мощностей будут иметь вид:

(3.10)

(3.11)

После усиления с нормировкой по суммарному сигналу в блоках 6,8 с помощью блока ІО АРУ, в разностный сигнал вводится дополнительный фазовый сдвиг Δψ=π/2. Это необходимо для того, чтобы обеспечить равенство нулю выходного напряжения блока измерения угла α при совмещении центра акустического пакета с равносигнальным направлением, т.е. когда Δφ=0.

После этих преобразований и с учетом работы АРУ по суммарному сигналу на выходе фазового детектора, входящего в качестве основного принципиального элемента в блок измерения угла І2, имеем напряжение, значение которого зависит от угла α:

(3.12)

где - комплексно-сопряженные значения сигналов на выходе суммарного и разностного каналов.

(3.13)

Подставив значение Δφ из (3.9) в формулу (3.13) можно получить окончательное выражение:

(3.14)

Величина S(α) определяет пеленгационную характеристику радиоакустической системы в плоскости XOZ и является напряжением на выходе фазового детектора блока 12. Следовательно,

(3.15)

Видно, что при изменении направления отклонения акустического пакета от вертикали величина Δφ согласно формуле (3.9) изменит свой знак. В силу нечетности функции sin и tg величина S(α) тоже изменит знак. Поэтому полярность напряжения на выходе блока 12 будет определять направление отклонения пакета, а величина - степень отклонения.

Измеренные значения Fд(t),α(t) и β(t) поступают в вычислительный блок 15, где вычисляются составляющие скорости горизонтального ветра по формулам:

(3.16)

(3.17)

При этом модуль сдвига горизонтального ветра на высотах Zj и Zi вычисляется по формуле:

(3.18)

Направление сдвига горизонтального ветра вычисляется по формуле

(3.19)

3.4 Технические характеристики системы

На рис. 3.2, 3.3 дано расположение антенн системы радиоакустического зондирования. Передающая радиоантенна А5 и акустическая антенна А6 расположены соосно и их центры совпадают с началом координат 0, а электрические оси - с направлением оси OZ. Приемные антенны А1-А4 расположены таким образом, что их геометрические центры находятся на координатных осях OX и OY (А1 и А4 на оси ОУ, А2 и А3 на оси ОХ) на равных расстояниях от начала координат 0 (ОА1=ОА2=ОА3=ОА4=l/2, где l - база пеленгатора).

Рисунок 3.2 - Расположение антенн системы радиоакустического зондирования

Рисунок 3.3 - Расположение антенн системы радиоакустического зондирования (вид сверху)

Величина l является одним из наиболее существенных параметров системы, поскольку она определяет крутизну пеленгационной характеристики системы (точность определения угла), а также неоднозначность измерений, вызванную набегом фазы, кратным 2π . Поэтому можно утверждать, что минимальная величина базы l ограничена размерами dn совмещенных акустической и радиопередающей антенн (l>lmin=dn), а максимальная ее величина ограничена расстоянием, при котором еще обеспечивается однозначность измерений l<lmax. Величина lmax, исходя из (3.13):

(3.20)

(3.21)

Отсюда видно, что при заданной длине волны λе величина lmax определяется минимальным измеряемым углом αmin. В случае радиоакустического зондирования величина αmax - это максимально возможное отклонение центра акустического пакета за счет сноса его горизонтальным ветром. Путем несложных геометрических построений можно определить, что даже при очень сильном ветре 30 м/с (108 км/ч), постоянном по высоте зондирования, отклонение пакета в одной плоскости не превысит 6 градусов.

Поскольку

Диаметр радиопередающей и акустической антенн определяется прежде всего необходимой шириной диаграммы направленности на уровне половинной мощности. Нам необходимо, чтобы даже при максимальном сносе пакета ветром центр его всегда находился в пределах антенн и всегда облучался электромагнитной энергией. Логично, поэтому, положить, что

Такое соотношение между акустической и радио диаграммами выбрано с целью максимальной концентрации энергии. Далее известно, что:

(3.23)

(3.24)

Окончательно можно записать, что в частном случае, когда

крутизна пеленгационной характеристики определяется как:

(3.25)

Продифференцировав выражение (3.25) по α и подставив α=0, получим:

(3.26)

Отсюда видно, что крутизна (точность) при фиксированной λе прямо пропорциональна базе системы l. Поэтому в допустимых пределах величина L выбирается, исходя из необходимой точности определения углов прихода и допустимыми габаритными размерами всей системы.

Положим, что необходимо определять скорость ветра с точностью до 0,5 м/с. Для этого необходимо измерять углы прихода отраженного радиосигнала с погрешностью до 0,1 градуса. Известные промышленные измерители разности фаз (например, ФК2-12) способны определять фазовые сдвиги с погрешностью до 2,5 градуса. Подставив в формулу (20) αmax=0,1 градус, а Δφ=2,5 градуса получим величину минимально необходимой базы системы, при которой обеспечивается заданная точность измерения скорости ветра:

(3.27)

Следовательно, при размещении приемных антенн непосредственно по периметру радиопередающей антенны, во-первых, обеспечивается точность измерения скорости ветра выше заданной, во-вторых, габаритные размеры антенной системы сводятся к минимально возможным при данной конфигурации системы.

Ширина диаграмм направленности приемных радиоантенн не является существенным параметром, поскольку при данном методе пеленгации направленные свойства антенн не используются для получения пеленгационной характеристики. Идентичные диаграммы направленности приемных антенн должны перекрывать рабочую зону системы, а также обеспечивать минимальную мертвую зону на начальном участке траектории акустического пакета.

При ширине диаграмм направленности приемных антенн 30градусов протяженность мертвой зоны равна 20 dпр=10λе. При этом диаметры зеркальных приемных антенн будут равны:

(3.28)

Конструктивное выполнение антенн определяется выбранным рабочим диапазоном частот. Пример выполнения совмещенной радио и акустической антенн приведен в [4]. Блоки 3,4,5 выполняются в виде коаксиальных гибридных колец либо волноводных мостов, в зависимости от рабочего диапазона частот [27]. Блоки 12,13,14 представляют собой усилители с переменным коэффициентом усиления и полосой частот, определяемой спектром усиливаемого сигнала [27].

Рисунок 3.4 - Структурная схема моностатической системы РАЗ

3.5 Оценка оптимального отношения сигнал/шум в системе радиоакустического зондирования атмосферы

В последнее время задачи диагностики метеорологических параметров нижнего слоя атмосферы часто решаются с помощью систем радиоакустического зондирования. В этих системах используются свойства взаимодействия акустических и электромагнитных волн со средой распространения, в частности, зависимости параметров распространения звуковой волны от давления, температуры, вязкости, состава среды распространения и других параметров. Одновременное комбинированное использование свойств радио и акустических волн, которые распространяются в одном и том же объеме, позволяет значительно улучшить характеристики систем диагностики. В системе РАЗ акустическая волна излучается в исследуемую область пространства и модулирует плотность среды, через которую она проходит. Одновременно этот объем облучается радиоволной, которая рассеивается на образовавшихся неоднородностях, отличающихся по своим радиофизическим характеристикам от аналогичных по размерам участков невозмущенной среды. Из рассеянной электромагнитной волны, принятой приемником РЛС, выделяется информация о среде распространения. Это позволяет использовать акустический пакет в качестве практически безынерционного датчика, характеристики которого определяются на основе закономерностей взаимодействия со средой распространения радиоволны.

В радиолокационных системах фазовый фронт волны, облучающий объект, принимается плоским, в системах РАЗ в пределах дальностей, на которых формируется отраженный сигнал. Требование плоского фазового фронта волны в радиолокации определяет синфазность возбуждения вторичных источников на поверхности наблюдаемого объекта, а в системах РАЗ выполнение такого требования обеспечивается геометрическим расположением акустической и радиоантенн в непосредственной близости друг от друга. В результате сферические фронты акустической и радиоволн практически совпадают и фактически выполняются требования, предъявляемые в радиолокации при облучении точечных объектов.

В качестве исходного соотношения, с помощью которого может быть решена поставленная задача, используем формулу для мощности принятого сигнала Pr [33]:

(3.29)

где Pr - мощность принятого радиосигнала, Вт;

- излучаемая акустическая мощность, Вт;

N - число длин волн в акустическом пакете;

θ - наименьший из углов раскрыва диаграмм направленности звуковой и радио антенн, град;

r - средняя дальность зондирования, м;

δ - коэффициент ослабления (по мощности) акустической волны, дБ/м;

В - коэффициент, определяемый точностью выполнения условия Брэгга в пределах пакета, в предельном случаем В=1;

- коэффициент усиления передающей радиоантенны;

- коэффициент усиления приемной радиоантенны;

- коэффициент усиления акустического излучателя.

Коэффициент классического поглощения звука, обусловленного вязкостью и теплопроводностью воздуха, определяется формулой:

(3.30)

где η - вязкость воздуха;

р - атмосферное давление;

- скорость звука;

- частота звука.

Для обычных атмосферных условий количественная оценка коэффициента поглощения может быть получена из следующего соотношения:

(3.31)

где ;

=332м/с;

=0,25м;

= 1328Гц.

Величина погонного затухания акустической волны δ(дБ/м) может быть получена из формулы:

(3.32)

Для высокоточных измерений параметров отраженного радиосигнала необходимо иметь соотношение сигнал/шум на входе приемника не менее 30…40дБ. Мощность шумов в приемнике определяется по формуле:

(3.33)

где - коэффициент шума;

α - коэффициент потерь;

Δf - эффективная ширина полосы пропускания.

k = Дж/К;

= 3;

α = 5;

Т = 300К;

Δf = 10Гц.

(3.34)

где θ - угол раскрыва антенна в градусах.

По вышеприведенным формулам выполнены оценочные расчеты энергетического потенциала системы радиоакустического зондирования при следующих технических характеристиках системы:

N = 30;

B = 1;

θ = 6°;

r = 10,20…330м;

= 5 Вт;

= 25 Вт;

= 25000/12° = 2083,333;

= 25000/20° = 1250;

= 25000/6° = 4166,667;

Вычислим и δ согласно формул (3.31) и (3.32):

Результаты расчетов отношения сигнал/шум, которое обозначим q = / приведены в таблице 3.1:

Таблица 3.1 - Зависимость отношения сигнал/шум от дальности

Дальность r, м	Отношение сигнал/шум q, разы	Отношение сигнал/шум q, дБ
10	762,682737	28,82344
20	190,670579	22,80284
30	84,7424324	19,28101
40	47,6675918	16,78223
50	30,5072418	14,84403
60	21,1855728	13,2604
70	15,564902	11,92146
80	11,9168715	10,76162
90	9,41579449	9,73857
100	7,62678931	8,823417
110	6,30312817	7,995561
120	5,29637559	7,239788
130	4,51288558	6,544543
140	3,89121041	5,900847
150	3,38967474	5,30158
160	2,97920466	4,741003
170	2,6390172	4,214422
180	2,35393688	3,717948
190	2,11267348	3,248324
200	1,90668676	2,802793
210	1,72942013	2,379005
220	1,57577243	1,974935
230	1,44172672	1,588829
240	1,32408509	1,219159
250	1,22027614	0,864581
260	1,12821326	0,523912
270	1,04618895	0,196101
280	0,97279505	-0,11979
290	0,90686195	-0,42459
300	0,84741164	-0,71906
310	0,79362128	-1,00387
320	0,74479456	-1,27964
330	0,70033903	-1,54692

Графическая зависимость отношения сигнал/шум от дальности приведена на рисунке 3.5

Рисунок 3.5 - График зависимости отношения сигнал/шум, дБ от дальности, м

3.6 Исследование траектории движения акустического пакета

Проведем исследование траектории движения акустического пакета на высотах от 10 о 330 метров с шагом 10м. Вычислим частоту Доплера, величину смещения пакета и предполагаемые координаты, воспользовавшись формулами (3.2), (3.3), (3.4). Определим скорость сноса пакета на каждой из высот приземного слоя атмосферы, по формуле:

, (3.35)

где - скорость смещения акустического пакета, м/с;

- i-тый радиус вектор;

- временной интервал, =0,03с;

- угол отклонения в плоскости xoz.

Результаты вычислений помещены в Таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Параметры движения пакета

Координаты x, м	Координаты y, м	Координаты z, м	Радиус-вектор R, м	, м/с
1	0,1	10	10,05037	3,01243758
2	0,2	20	20,10075	3,01243758
4	0,3	30	30,26698	6,874415046
3	0,4	40	40,11434	3,754737229
5	0,5	50	50,25187	5,917634923
7	0,6	60	60,40993	6,602244036
6	0,7	70	70,26016	3,659118345
8	0,8	80	80,40299	6,094187049
10	0,9	90	90,55832	6,511290951
9	1	100	100,4092	3,638693975
11	1,1	110	110,5541	6,164715764
13	1,2	120	120,7081	6,465773578
12	1,3	130	130,5591	3,631130761
14	1,4	140	140,7052	6,202669924
16	1,5	150	150,8584	6,43845037
15	1,6	160	160,7096	3,627520614
17	1,7	170	170,8563	6,226382984
19	1,8	180	181,009	6,420229638
18	1,9	190	190,8602	3,625520889
20	2	200	201,0075	6,242603992
22	2,1	210	6,407212273
21	2,2	220	221,0109	3,624298708
23	2,3	230	231,1586	6,254399176

Зависимость скорости смещения от высоты отображена на рисунке 3.6

Рисунок 3.6 - График зависимости изменения высоты от скорости смещения акустического пакета

3.7 Особенности разработанной системы радиоакустического зондирования

Особенность систем РАЗ состоит в необходимости выполнения условия Брэгга, которая диктуется как энергетическими, так и информационными соображениями. При использовании простых акустического и электромагнитного зондирующих сигналов изменение с высотой температуры и радиальной скорости ветра приводит к нарушению соотношения Брэгга. Достаточно сильный отраженный сигнал существует только в некотором диапазоне высот, причем, чем больше длительность акустического импульса (число длин волн в импульсе), тем меньше этот диапазон [4].

В случае использования в системах РАЗ дискретной приемной радиоантенны схема излучения и приема сигналов- приемная антенна замещается антенной решеткой. Для эффективного использования апертуры решетки передающие электромагнитная и акустическая антенны могут перемещаться при изменении метеоусловий, занимая положение с наветренной стороны, либо используется соответствующее количество передающих антенн, которые переключаются. Разработаны соответствующие алгоритмы обработки сигналов для такой схемы, позволяющие, в частности, оценивать координаты центра пятна рассеянных колебаний, перемещающегося в процессе измерений по апертуре решетки.

Отметим, что все вопросы системного, технического характера, возникающие при разработке радиоакустических систем решались до сих пор инженерным, экспериментальным путем. Рассматривались возможности использования различных видов радиоантенн, акустических излучателей, радиоприемников, устройств выделения сигнала доплеровской частоты, схем и алгоритмов спектрального анализа [4].

Использование описанной системы радиоакустического зондирования позволяет с достаточно высокой точностью определять модуль сдвига ветра и направление сдвига на любых заданных высотах в пределах зоны действия системы в приземном слое атмосферы. Предельная высота зондирования определяется энергетическим потенциалом системы, которая может быть применена для метеорологического обеспечения взлёта и посадки самолётов.

зондирование атмосфера локатор частота

4. Измерение сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования

4.1 Качество измерений

Числовые значения величин находят путем измерения, т.е. узнают, во сколько раз значение данной величины больше или меньше значения величины, принятого равным единице. По способу получения числового значения измеряемых величин все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным. Точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость - это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях(в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного(действительного) значения измеряемой величины.

Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину.

Можно выделить следующие группы причин возникновения погрешностей, связанных:

с операцией настройки средства измерений или со смещением уровня настройки средства измерений во время эксплуатации;

с установкой объекта измерения на измерительную позицию;

с процессом получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерения;

Или обусловленных:

внешними воздействиями на средство и объект измерений;

свойствами измеряемого объекта;

квалификацией и состояние оператора и т.п.

Анализируя причины возникновения погрешностей, необходимо в первую очередь выявить те из них, которые оказывают существенное влияние на результат измерения.

4.2 Виды погрешностей

В зависимости от формы и выражения различают абсолютную и относительную погрешности измерений [31] .

Абсолютной называют погрешность измерений, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина. Например, в нашем случае, погрешность длины волны и частоты Доплера:

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины и выражается в процентах или долях измеряемой величины. Например, =0,069.

В зависимости от условий и режимов измерения различают статистическую и динамическую погрешности.

Статистической называют погрешность, не зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Примером статистической погрешности может служить аддитивная погрешность квантования, которая не зависит ни от абсолютного значения преобразуемой величины, ни от скорости ее изменения во времени.

Динамической называют погрешность, зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Возникновение динамической погрешности обусловлено инерционностью элементов измерительной цепи средства измерений, т.е. тем, что преобразования в измерительной цепи не происходят мгновенно, а требуют некоторого времени.

Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий.

В зависимости от характера проявлений, возможностей устранения и причин возникновения различают систематическую и случайную погрешности.

4.3 Подготовка к метрологической аттестации системы на этапе разработки

Каждый результат измерений, предназначенный для практического использования, должен сопровождаться указанием значений характеристик погрешности измерений, на основе которых он получен. Все практически используемые характеристики погрешностей измерений могут быть разбиты на две группы, отличающиеся областью применения и способами выражения.

К первой группе относятся характеристики, задаваемые в виде требований или допускаемых значений (норм) в конструкторско-технологической документации, нормативных документах, а также приписываемые методиками выполнения измерений на основании их метрологической аттестации.

Характеристики этой группы являются вероятностными, отражающими вероятностные свойства генеральной совокупности случайной величины - погрешности измерений. Значения этих характеристик (пределы допускаемых значений или максимально возможные значения) приписываются всей возможной совокупности результатов измерений, выполняемых по определенным, фиксируемым в технической документации правилам или по аттестованным методикам выполнения измерений.

Основной областью применения характеристик этой группы являются массовые технические измерения, выполняемые при технологической подготовке производства, в процессе производства (испытаниях, контроле) , эксплуатации и потребления продукции.

Ко второй группе относятся характеристики, оцениваемые непосредственно в процессе выполнения измерений и обработки их результатов. Данные характеристики являются статистическими (выборочными) оценками характеристик погрешности первой группы и отражают близость отдельного результата измерений к истинному значению измеряемой величины. Основной областью их применения являются измерения, выполняемые при проведении научных исследований и метрологических работ [30] .

4.4 Анализ системы радиоакустического зондирования. Метрологическая аттестация системы

Объектом исследования является однопозиционная система радиоакустического зондирования атмосферы.

Каждая система требует проведения метрологической аттестации на этапе проектирования. Исследуя погрешности данной системы радиоакустического зондирования атмосферы в приземном слое атмосферы, мы проводим анализ рентабельности системы, анализ приемлемости полученных результатов при работе системы, а также соответствие нормам и стандартам полученных величин и допустимых погрешностей.

Измеряется траектория движения акустического пакета. Центр радиус-вектора мгновенного положения определяется функцией R(t).

(4.1)

(4.2)

где- радиальная скорость распространения акустического пакета,

λе - длина радиоволны.

Значение вектора R(t) может быть представлено в декартовой системе координат значениями X(t), Y(t), Z(t). Угловые координаты α и β могут быть измерены методом моноимпульсной радиолокации. В результате значения скорости могут быть получены путем дифференцирования

(4.3)

(4.4)

Сдвиг ветра может быть вычислен по результатам измерения скорости ветра допплеровскими системами радиоакустического зондирования.

Исследуется траектория движения акустического пакета с учетом воздействия ветровых потоков.

(4.5)

(4.6)

Измерение угловых координат центра движущегося акустического пакета реализуется методами моноимпульсной локации.

4.5 Исследование методических погрешностей

При измерении скорости ветра в заданном объеме пространства методом РАЗ, полагают, что среда однородна для радиоволн, а скорость и траектория перемещения акустического пакета определяется температурой и скоростью ветра. Имеются также флуктуации их значений вокруг среднего значения. Указанные причины являются источником методических погрешностей. Кроме того, практически в любой измерительной системе существуют погрешности измерения скорости и объекта, обусловленные:

флуктуациями, сопровождающими сигнал;

изменениями измеряемого параметра в течение времени наблюдения;

несовершенством измерительной аппаратуры.

Первая причина обуславливает флуктуационную ошибку, минимум которой ограничивается собственным шумом измерения, называемую потенциальной, вторая - динамическую, третья - инструментальную.

С учетом вышесказанного ясно, что на этом этапе проектирования системы РАЗ необходимо проанализировать источники ошибок измерений и это позволит сформулировать требования к точностным характеристикам подсистем и блоков системы, а также произвести оптимальное перераспределение погрешностей структуры системы.

Типичными составляющими инструментальной погрешности измерений являются: основная, дополнительная и динамическая погрешности измерений, а также погрешность, обусловленная его взаимодействием с объектом измерений. Следовательно, расчетная аттестация метрологических измерений сводится к определению максимально возможного для заданных условий измерений интервала, в котором с заданной вероятностью лежат практически реализующиеся значения погрешности измерений.

Поскольку в большинстве случаев измеряются не непосредственно интересующая исследователя величина, а какая-либо другая(или их совокупность), зависящая от неё тем или иным образом, необходимо производить анализ ошибок косвенных измерений.

Косвенными называют такие измерения, при которых измеряемая величина определяется на основании результатов прямых измерений других величин, связанных с искомой известной зависимостью [30] .

При косвенных измерениях задача сводится к отысканию оценки действительного значения zд некоторой величины Z, являющейся функцией других (однородных или разнородных) величин X, Y, …, T, значения которых x,y, …, t определяют по результатам прямых измерений. При этом погрешность оценки zд зависит не только от погрешностей результатов измерений X, Y, …, T, но и от вида используемой функциональной зависимости Z=F(X, Y, …, T).

Если случайные погрешности измерений X, Y, …, T достаточно малы, то функция F(X, Y, …, T) может быть с достаточной точностью представлена линейными членами ее разложения в ряд Тейлора [30].

Тогда оценка z действительного значения zд величины Z определяется как :

(4.7)

где соответствуют .

Оценку среднего квадратического отклонения величины или точечную характеристику случайной погрешности определения V вычисляют по формуле:

(4.8)

где -- значения частных производных функции V(,,α,β) по соответствующим аргументам при их средних значениях.

Общее правило вычисления ошибок для случая косвенных измерений может быть легко получено с помощью методов дифференциального исчисления.

Если измеряемая величина Y есть функция многих переменных Xi, то среднеквадратичная ошибка может быть вычислена по формуле:

(4.9)

а относительная погрешность по формуле:

(4.10)

При проектировании системы РАЗ возникает задача оптимального (при заданных ограничениях) выбора направлений зондирования. Целевой функцией оптимизации в этом случае может служить величина погрешности измерения скорости горизонтального ветра, минимизируемая, либо ограниченная по величине сверху.

При наличии шумов потенциальная среднеквадратическая ошибка излучений угла, измеренная фазовым методом равна:

, (4.11)

где q - отношение сигнал/шум по мощности.

Определим значение среднеквадратических ошибок для случаев минимального и максимального отклонений траектории движения акустического пакета от вертикали при минимальном и максимальном значениях горизонтального ветра(1…30 м/с).

(αmin=0,003рад; αmax=0,09рад). Принимаем значение

При более ранних исследованиях в данной области[2,3] были получены результаты погрешностей длины волны и частоты Доплера:

Для вычисления погрешностей сдвига ветра в различных направлениях, нам необходимо вычислить дифференциал составляющих скорости ветра по x,y,z плоскостям.

Запишем выражения для составляющих скорости ветра:

(4.12)

(4.13)

(4.14)

где , , - составляющие скорости ветра в соответствующих плоскостях;

- длина волны =0,5 м;

= 1368 Гц;

α - 2°;

β - 2°.

Необходимо посчитать дифференциал по каждой из составляющей скорости ветра, для этого пошагово берем производные каждой компоненты и записываем коэффициенты полученные при известных заранее значений погрешности по длине волны и по частоте Доплера.

(4.15)

Подсчитаем дифференциал компоненты скорости по x, относительно для каждой составляющей, вносящей погрешности в вычисления:

Продифференцируем скорость в плоскости x по длине волны:

(4.16)

Дифференцируем аналогично скорость в плоскости x по частоте Доплера:

(4.17)

Дифференцируем скорость в плоскости x аналогично по углам α и β, при этом необходимо обратить внимание, что используем формулу для дифференцирования сложной функции и используем правила дифференциала от частного двух выражений:

(4.18)

(4.19)

; (4.20)

Продифференцируем скорость в плоскости y по длине волны:

(4.21)

Дифференцируем аналогично скорость в плоскости y по частоте Доплера:

(4.22)

(4.23)

(4.24)

Продифференцируем скорость в плоскости xoz по длине волны:

(4.25)

Дифференцируем аналогично скорость в плоскости xoz по частоте Доплера:

(4.26)

Дифференцируем скорость в плоскости xoz аналогично по углам α и β:

(4.27)

(4.28)

Скомпонуем все ранее вычисленные частные производные в формулы относительно каждой компоненты скорости ветра для каждой плоскости для того, чтобы вычислить погрешность по каждой компоненте и определить ее численное значение:

Погрешность по скорости в плоскости xoz:

(4.29)

Погрешность по скорости в плоскости xoy:

(4.30)

Погрешность по скорости в плоскости zox:

(4.31)

Подставив значения заранее посчитанных погрешностей [3] получаем следующие значения:

=0,069 ==0,2042883985448023428701771091356.

4.6 Анализ зависимости величины погрешности от отношения сигнал/шум

Проанализируем зависимость погрешностей скорости в трех плоскостях от соотношения сигнал/шум [33] . Для этого предположим, что отношение сигнал/шум изменяется в пределах 10 до 100 с шагом 10.

Влияние отношения сигнал/шум на погрешность по частоте Доплера определяется зависимостью(4.32):

(4.32)

где q - отношение сигнал шум.

Отношение сигнал/шум также оказывает влияние на погрешность по угловым координатам(4.11):

;

Подсчитаем значении погрешностей угловых координат и погрешностей по частоте Доплера при различных значениях соотношения сигнал/шум, полученные значения запишем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Зависимость погрешностей , , от q

Отношение сигнал/шум q , Гц

,Гц2

, рад

, рад
10	0,126	16	10,07	10,14	10,07	10,14
20	0,089	7,958	7,119	5,068	7,119	5,068
30	0,073	5,305	5,813	3,379	5,813	3,379
40	0,063	3,979	5,034	2,534	5,034	2,534
50	0,056	3,183	4,502	2,027	4,502	2,027
60	0,052	2,653	4,11	1,689	4,11	1,689
70	0,048	2,274	3,805	1,448	3,805	1,448
80	0,045	1,989	3,56	1,267	3,56	1,267
90	0,042	1,768	3,356	1,126	3,356	1,126
100	0,04	1,592	3,184	1,014	3,184	1,014

Значения и , выраженное в градусной мере углов приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Зависимость отношения сигнал/шум от погрешностей угловых координат

Отношение сигнал/шум q	, град, град, град, град
10	0,058	32,28	0,058	32,28
20	0,041	16,64	0,041	16,64
30	0,033	11,09	0,033	11,09
40	0,029	8,319	0,029	8,319
50	0,026	6,655	0,026	6,655
60	0,024	5,546	0,024	5,546
70	0,022	4,754	0,022	4,754
80	0,02	4,159	0,02	4,159
90	0,019	3,697	0,019	3,697
100	0,018	3,328	0,018	3,328

Подставим значения , , в результирующие формулы (4.29-31) погрешностей скорости ветра в различных плоскостях. Полученные данные сведем в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 - Зависимость отношения сигнал/шум от погрешностей скоростей ветра в плоскостях x, y, z

Отношение сигнал/шум q	, м/с, м/с, м/с
10	0,344	0,344	0,077
20	0,243	0,243	0,073
30	0,198	0,198	0,071
40	0,172	0,172	0,071
50	0,154	0,154	0,07
60	0,14	0,14	0,07
70	0,13	0,13	0,07
80	0,122	0,122	0,069
90	0,115	0,115	0,069
100	0,109	0,109	0,069

По данным таблицы 4.3 построим графики зависимостей отношения сигнал/шум от погрешностей скоростей ветра в плоскостях x, y, z.

Рисунок 4.1 - Зависимость от q

Рисунок 4.2 - Зависимость от q

Рисунок 4.3 - Зависимость от q

Проанализировав графики можно сделать вывод, что чем больше отношение сигнал/шум, тем погрешность, вносимая в систему компонентами ветра меньше.

4.7 Выводы по метрологической аттестации на этапе проектирования

Вычисленные данные полностью удовлетворяют требованиям, поставленным при исследовании и разработке данной системы радиоакустического зондирования атмосферы и измерения сдвига ветра в приземном слое атмосферы методом моноимпульсной локации.

Полученные результаты исследования погрешностей удовлетворяют требованиям метрологической аттестации и полностью отвечают запросам потенциальных пользователей системы - работников и потребителей авиации(системы контроля взлета и посадки самолетов).

Выводы

В данной работе были проведены исследования и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровой обстановки в пограничном атмосферном слое.

Разработана структурная схема системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Проведен анализ ветровой обстановки в приграничном атмосферном слое. Рассчитаны отношения сигнал/шум для различных высот. Рассчитано положение акустического пакета относительно изменения длины радиус-вектора.

Проведен анализ скорости смещения акустического пакета на различных высотах и зависимость скорости смещения от частоты Доплера.

Проведена работа по подготовке системы к метрологической аттестации на этапе проектирования.

Рассчитаны погрешности по компонентам скорости ветра в различных плоскостях, а также соотнесены значения погрешностей при различных параметрах отношения сигнал/шум.

Современное состояние развития радиоакустических систем зондирования не позволяет в полной мере реализовать богатые информационные возможности рассматриваемых методов по измерению параметров атмосферы.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. М.Сокольник. Введение в технику радиолокационных систем. Изд. «Мир»: 1965г.-736с.

2. Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли. Под ред. Б.Л.Кащеева, Е.Г.Прошкина, М.Ф.Лагутина. Глава 2. Радиоакустическое зондирование пограничного слоя атмосферы. Харьков, ХНУРЭ: 2007г.стр.49-100.

. Прошкин Е.Г. Радиоакустическое зондирование в системе контроля загрязнения атмосферного воздуха. Харьков, изд.ХИРЭ: 2007г. -115с.

. М.А.Каллистратова, А.И.Кон. Радиоакустическое зондирование атмосферы, М. «Наука»: 2006г. -187с.

. М.П. Долуханов. Распространение радиоволн, М. «Связь»:1965г. - 392с.

. «Проектирование радиопередающих устройств» под ред. Г.М.Уткина, М. «Советское радио»,2009 г. - 316с.

. Бреховских Л.М.: Волны в слоистых средах. Изд. АНССР. М.:2007г. - 287с.

. Довиак Р.Доплеровские локаторы и метеорологические наблюдения: Пер. с англ.- Л.: Гидрометеоиздат, 2008.- 503 с.

9. Рыжков А.В. Метеорологические объекты и их радиолокационные характеристики // Зарубежная радиоэлектроника. - 2010. - №4. - С.6

. Рыжков А.В. Характеристики метеорологических РЛС // Зарубежная радиоэлектроника. - 2006. - №4. - С.29 - 34.

11. Черников А.А. Радиолокационные отражения от ясного неба. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 46 с.

. Мельников А.В. Обработка информации в доплеровских МРЛ // Зарубежная радиоэлектроника. - 2006. - №4. - С.35 - 42.

13. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 244 с.

. Захаров В.М., Костко О.К. Метеорологическая лазерная локация. - М.: Гидрометеоиздат, 1977. - 222 с.

15. Оптическое зондирование атмосферы / Б.Т. Тошенов, Т.П. Торопова, В.А. Ляджин и др. - Алма-ата: Наука, 2006. - 108 с.

16. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. - Новосибирск: Наука, 2006. - 167 с.

17. Принципы построения автоматизированных систем метеорологического обеспечения авиации / Под ред. Г. Г. Щукина. - Л.: Гидрометеоиздат, 2009.- 329 с.

. Красюк Н.П., Коблов В.Л., Красюк В.Н. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. - М.: Радио и связь, 2008. - 216 с.

19. Карюкин Г.А. Оценки возможностей реальных систем радиоакустического зондирования атмосферы: Препр. / ИФА АН СССР. - М., 1981. - 33 с.

20. Lataitis R.J. Theory and Application of a radio-acoustic sounding system (RASS): NOAA Technical Memorandum ERL WPL-230 / Nat. Oceanic and Atmos. Admin. Environ, Res. Labs. Boulder, CO. - 2009. - 207 p.

. Angevine W.M., Ecklund W.L., Carter D.A., Gage K.S., Moran K.P. Improved radio acoustic sounding techniques // J. of Atmos. Oceanic Technol. - 2008. - Vol.11, №2. - P.121-127.

. Бабкин С.И., Милосердова Г.Н., Орлов М.Ю. и др. Определение температуры, скорости и направления ветра в приземном слое атмосферы // Метеорология и гидрология. - 1980. - №8. - С.36-45.

. Макарова Т.И. Измерение скорости ветра двухлучевым радиоакустическим зондированием // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1980.- Т.16, № 5

. Азизян Г.В., Белявская В.Б., Бовшеверов В.М. и др. Комплексное акустическое и радиоакустическое зондирование пограничного слоя атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 2008.- Т.18, №10.- С.1036-1042..

. Бабкин С.И., Максимова Н. Г., Панченко А.Ю. и др. Измерение влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы // Труды 9-го Всесосоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. - Ч.2.- Томск: ТФСО АН СССР. - 2006.- С. 145-148.

26. Баранов А.М. Авиационная метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат. - 2008. - 384с.

27. Леонов А.И., Фомичем К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь. - 2006. - 199с.

. Дымова А.И, Альбац М.Е., Бонч-Бруевич А.М. Радиотехнические системы. - М.: Сов. Радио. - 1975. - 440с.

. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука. - 1984. - 680с.

30. Цейтлин В.Г. Метрологическое обеспечение качества продукции. - М.: Издательство стандартов. - 2008. - 88с.

31. Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. - М.: Изд-во стандартов, 2006. - Кн.I - 352с.

. Зуев В.Е., Белан Б.Д., Задде Г.О. Оптическая погода. - Новосибирск: Наука, 2006.-190с.

. Оценка эффективной поверхности рассеяния радиоволн акустическим пакетом/ Д.А.Величко, канд.техн.наук, Г.И.Сидоров, канд.техн.наук, Я.Г.Сидоров// Радиотехника 127/2007 - Х.: ХНУРЭ, 2007.

Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое

Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое

МАГІСТЕРСЬКА ДИПЛОМНА РОБОТА

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ

. Обзор литературных источников. Анализ методов исследования и проектирования систем радиоакустического зондирования атмосферы

.1 Анализ литературных источников

.2 Параметры некоторых аналогичных систем

.3 Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы

.4 Проверка условия Брэгга

.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ

.6 Трудности на пути исследований

.7 Особенности метода РАЗ

. Системы Радиоакустического зондирования

.1 Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования

.2 Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты

.3 Предпосылки исследования нижних слоев атмосферы

.4 Необходимые условия

.5 Практическое применение метода радиоакустического зондирования атмосферы

.6 Выбор метода исследований

.7 Актуальность метода

. проектирование моноимпульсной однопозиционной системы радиоакустического зондирования

.1 Методы измерения сдвига ветра

.2 Конфигурация антенной системы

.3 Анализ работы радиотехнического устройства

.4 Технические характеристики системы

.5 Оценка оптимального отношения сигнал/шум в системе радиоакустического зондирования атмосферы

.6 Исследование траектории движения акустического пакета

.7 Особенности разработанной системы радиоакустического зондирования

. Измерение сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования

.1 Качество измерений

.2 Виды погрешностей

.3 Подготовка к метрологической аттестации системы на этапе разработки

.4 Анализ системы радиоакустического зондирования. Метрологическая аттестация системы

.5 Исследование методических погрешностей

.6 Анализ зависимости величины погрешности от отношения сигнал/шум

.7 Выводы по метрологической аттестации на этапе проектирования

Выводы

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ

1. Обзор литературных источников. Анализ методов исследования и проектирования систем радиоакустического зондирования атмосферы

1.1 Анализ литературных источников

1.2 Параметры некоторых аналогичных систем

1.3 Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы

1.4 Проверка условия Брэгга

1.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ

1.6 Трудности на пути исследований

1.7 Особенности метода РАЗ

2. Системы Радиоакустического зондирования

2.1 Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования

2.2 Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты

2.3 Предпосылки исследования нижних слоев атмосферы

2.4 Необходимые условия

2.5 Практическое применение метода радиоакустического зондирования атмосферы

2.6 Выбор метода исследований

2.7 Актуальность метода

3. проектирование моноимпульсной однопозиционной системы радиоакустического зондирования

3.1 Методы измерения сдвига ветра

3.2 Конфигурация антенной системы

3.3 Анализ работы радиотехнического устройства

3.4 Технические характеристики системы

3.5 Оценка оптимального отношения сигнал/шум в системе радиоакустического зондирования атмосферы

3.6 Исследование траектории движения акустического пакета

3.7 Особенности разработанной системы радиоакустического зондирования

зондирование атмосфера локатор частота

4. Измерение сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования

4.1 Качество измерений

4.2 Виды погрешностей

4.3 Подготовка к метрологической аттестации системы на этапе разработки

4.4 Анализ системы радиоакустического зондирования. Метрологическая аттестация системы

4.5 Исследование методических погрешностей

4.6 Анализ зависимости величины погрешности от отношения сигнал/шум

4.7 Выводы по метрологической аттестации на этапе проектирования

Выводы

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

Похожие работы на - Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое