Способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (54)5 6 01 W 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ. СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

41 =2 жl ко, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3418380/10 (22) 23.12.81 (46) 23.03.93. Бюл. М 11 (71) Институт оптики атмосферы Томского филиала СО АН СССР (72) Н.Н.Бочкарев, Н.П.Красненко и Л.Г.Шаманаева (56) Дрофа А.С. Определение некоторых параметров турбулентности из оптических измерений. — Изд. АН СССР, серия "Физика атмосферы и океана", 1979, т. 15, гв 5, с. 524..

Гурвич А.С. и др. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. M., Наука, 1976, с. 141. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО МАСШТАБА ТУРБУЛЕНТНОСТИ В

АТМОСФЕРЕ путем посылки в заданную область атмосферы двух параллельных лаИзобретение относится к измерительной технике в метеорологии и может быть использовано для дистанционного определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере.

Известен способ определения внешнего масштаба турбулентности по форме спектра флуктуаций пучка оптического излучения путем измерения средней скорости ветра и дисперсии этой скорости.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере путем измерения коэффициента корреляции смещения центров тяжести двух когерентных, коллимированных, параллельных гауссовых .лазерных пучков, распространяющихся по однородной трассе, имеющих в начальной плоскости одинаковые размеры и разнесенных в плоскости, Ц. 1135318 А1 зерных пучков, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, в исследуемую область атмосферы посылают перекрывающиеся лазерные пучки, разность частот которых лежит в звуковом диапазоне, определяют ширину спектра мощности возникшего акустического сигнала, принимают прошедшее акустическое излучение, измеряют мощность принятого сигнала и спектральную мощность на разностной частоте посланных излучений, по отношению измеренных величин определяют ширину спектра принятого сигнала и по изменению ширины спектра принятого акустического сигнала относительно возникшего определяют внешний масштаб турбулентности в атмосфере. перпендикулярной направлению распрост- Я ранения на расстояние, большее поперечного размера пучка и равное удвоенной высоте пучков над подстилающей поверхностью. По измеренному значению коэффици- в ента корреляции при известных начальных (Д диаметрах пучков и разносе между ними (Л вычисляется волновое число ко и определяется внешний масштаб турбулентности, связанный с к0

ОО

° еЪ

Ограниченность данного метода вызвана тем, что требуется дополнительная коллимация пучков, необходимо измерять малые значения координат смещения центра тяжести пучков, измерять координаты центров тяжести одновременно двух пучков, что усложняет конструкцию необходимой аппаратуры. Описанный метод не

1135318 позволяет измерять большие значения внешнего масштаба турбулентности, соот-. ветствующие случаю устойчивой атмосферы. Кроме того, чтобы произвести измерения внешнего масштаба турбулент- 6 ности на какой-либо высоте над поверхностью земли или же под каким-либо углом к поверхности земли, возникает необходимость поднимать либо приемники лазерного излучения, либо передатчики лазерного излучения на специальных устройствах (вышки, аэростаты, самолеты).

Целью изобретения является дистанционное измерение внешнего масштаба турбулентности и расширение диапазона измерений, Для достижения поставленной цели в способе определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере путем посылки в заданную область атмосферы двух парал- 2о лельных лазерных пучков в исследуемую область атмосферы посылают перекрывающиеся лазерные пучки, разность частот которых лежит в звуковом диапазоне, определяют ширину спектра мощности воз- 25 низшего:. акустического сигнала, принимают прошедшее акустическое излучение, измеряют мощность принятого сигнала и спектральную мощность на разностной частоте посланных излучений, по отношению 30 измеренных величин определяют ширину спектра принятого сигнала и по изменению ширины спектра принятого акустического сигнала относительно возникшего определяют внешний масштаб турбулентности в 35 атмосфере, На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего данный способ; на фиг. 2— блок-схема устройства, где 1 и 2 — лазерные передатчики, оси излучений которых парал- 40 лельны, а диаграммы направленностей пересекаются в заштрихованной области, 3— остронаправленная антенна акустического приемника, ориентированная перпендикулярно осям лазерных передатчиков, h — рас- 45 стояние между лазерными передатчиками и акустическим приемником.

Источником звука в данном способе будет одновременно вся область перекрытия лазерных излучений, и можно считать, что 50 цилиндрическая волна звука возникает одновременно вдоль всей оси области перекрытия лазерных пучков при импульсной работе лазеров, так как скорость света много больше скорости звука. Проведение из- 55 мерения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере осуществляется следующим образом. Лазерные источники 1 и 2 излучают энергию в узких пучках под углом а к горизонту. В области перекрытия

Ь = boo(1+ 1), (2) где Ь и bo — соответственно ширина спектра мощности принятого и возникшего акустического сигнала, определяемая как

Ь = J1(Ê) dK/!я= В/tn, (3) J l(K)dK =  — мощность принятого акустического сигнала;

t< — пиковое значение принимаемой мощности на частоте 4к, m -= -V/Co, (4) Ч вЂ” средний поперечный направлению приема акустической волны ветер; пучков возникает акустическая волна на раэностной частоте излучений лазеров f g= — f<. Возникшая цилиндрическая акустическая волна принимается узконаправленной приемной антенной 3, ориентированной под углом, близким 90 к посылаемым лазерным пучкам, так как при этом угле обеспечивается максимальная дальность. Измеряется мощность принятого акустического сигнала и спектральная мощность на разностной частоте посланных излучений, определяется величина спектра принятого акустического сигнала, а об искомом параметре судят по уширению спектра мощности принятого акустического сигнала относительно возникшего.

В атмосфере при одновременном распространении двух параллельных монохроматических лазерных излучений с близкими частотами f< и fz в области перекрытия в результате нелинейного их взаимодействия будет генерироваться мощное акустическое излучение частоты faK = f2 — f1, направление распространения. которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны— цилиндрический. Осуществляя посылку лазерных импульсов под углом а к поверхности земли, можно зарегистрировать: мощность прошедшего акустического сигнала, возникшего на дальности посылки лазерных излучений и прошедшего через атмосферу, помещая акустический приемник на некотором расстоянии h от лазерных передатчиков и ориентируя его приемную; антенну перпендикулярно оси лазерных пучков. При этом мощность возникшего акустического излучения пропорциональна произведению амплитуд лазерных излучений. При распространении акустической волны через атмосферу спектр мощности ее будет уширяться. Величина такого уширения записывается как

1135318

c> — скорость звука, определяемая квк со = 20,05 V7, (5)

К - 2 л / А — волновое число;

А — длина вол н ы;

Т вЂ” абсолютная температура;

I — пространственная полуширина возникшего акустического импульса, t = 2I/со — длительность возникшего звукового импульса; (6)

1Π— внешний масштаб турбулентности.

Переписывая (2) относительно 4 и подставляя вместо lt из (6) получим

Ь с V° - t

2Хь (7)

3 =Г (6) где с - -(г--2 -, Г(х) — гамма-функция, hb = Ь вЂ” Ь(у — уширение спектра мощности принятого акустического сигнала относительно возникшего. Измеряя мощность принятого акустического сигнала и спектральную мощность на частоте 1ак, определяют ширину спектра мощности принятого акустического сигнала по формуле (3).

Априори зная о среднем поперечном направлению приема акустического излучения ветре можно определить внешний масштаб турбулентности по формуле (7).

Для COz-лазера с круговой частотой излучения 2 10 рад/с (длина волны 10,6 мкм) при мощности лазерных излучений 100 Вт будет генерироваться акустическая мощность 0,2 М Вт. При наихудших условиях распространения лазерного и акустического излучений дальность зондирования будет .не менее 9 км при 4, = 500 Гц, а - 45О (а — угол посылки лазерных излучений, отсчитываемый от поверхности земли).

Лазерные источники могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме излучения. Предположим, что используется импульсный режим работы. Тогда минимальная длительность возникшего акустического импульса в направлении 90 относительно посылаемых лазерных пучков будет определяться шириной области перекрытия лазерных пучков на.данной высоте

Н от поверхности земли (см. фиг. 1), которая при малом расстоянии между лазерными источниками и малых углах расходимости пучков имеет величину

0. h . sin à - cosа залпа со (9 ° h cosa

ЮЛ5 Л (8)

Максимальная длительность возникшего акустического импульса будет определяться (1 О) 30

35 где ЛЬ = b — л/т . (12)

40 Формула (11) является расчетной при реализации алгоритма способа при этом, когда длительность импульса лазерных источников больше, чем величина тку(ф(иэ (8), то в формулу(12) при расчете hb подставляется

45 t, равное длительности импульса лазерных источников. Если длительность импульса лазерных источников меньше, чем величина гудин иэ (8), то в формулу (12) подставляется значение гудин, рассчитанное по формуле

50 (8)

Априорное знание поперечного среднего ветра можно получить из параллельных измерений вектора скорости ветра, например, лидаром или акустическим локатором.

Способ осуществляется с помощью устройства, изображаемого на фиг. 2, где 1— . СОг-лазер, работающий на частоте f< = 2,9х х10 Гц (что соответствуетil, = 10,6 мкм); 2 — СО2-лазер, работающий на частоте 5 = f<+

25 длительностью посылки лазерных излучений. Звуковой импульс в области перекрытия лазерных пучков возникает и оканчивается с момента начала и прекращения посылки лазерных излучений. Поскольку скорость звука много меньше скорости света, то передний и задний фронты возникающего звукового импульса будут достаточно крутыми, чтобы считать форму возникшего звукового импульса прямоугольной. Ширина спектра мощности такого звукового импульса описывается соотношением

bo — = K/t (9)

В случае непрерывной работы лазерных источников ширина спектра мощности возникшего акустического излучения будет определяться в основном стабильностью частот излучения лазеров, которая с применением комбинированной системы активной стабилизации частоты для ОКГ составляет 10 Гц. Такой шириной спектра мощности возникшего акустического излучения можно пренебречь.

Формула(7) для случая непрерывной работы лазерных источников упростится и примет вид поскольку т- и ж/г- О.

В случае импульсной работы лазерных источников с учетом (9) формула (7) перепишется так

1-= -лг (1 1) 1135318

+, f K, 3 — остронаправленная антенна акустического приемника, в качестве которой может быть использована решетка электроакустических преобразователей; 4-синхронизатор; 5 — измеритель мощности; 6 — 5 узкополосный фильтр, настроенный на частоту f><, 7-делитель напряжений; 8 — вычислительноее устройство.

Электрический сигнал, возникающий в 10 электроакустических преобразователях антенны 3, попадает в измеритель мощности

5 и на фильтр 6. Делитель 7 производит деление напряжения, снимаемого с измерителя мощности 5 и пропорционального В, на 15 напряжение, снимаемое с фильтра 6 и пропорциональное ln. Напряжение, пропорциональное b, снимается с делителя 7 и попадает в вычислительное устройство 8.

Данные о длительности импульса лазерных 20 источников поступают в вычислительное устройство 8 с синхронизатора 4. Информация о среднем векторе скорости ветра по трассе распространения возникающего акустического излучения поступает в вычисли- 25 тельное устройство 8 от внешних источников данных {таких, например, как лидар для измерения профиля скорости ветра), Скорость среднего ветра, поперечного направлению приема акустического сигна- 30 ла, определяется в вычислительном устройстве 8 как проекция среднего вектора скорости ветра, поступающая извне, на нормаль к направлению приема акустической волны. Окончательный расчет внешнего мас- 35 штаба турбулентности проводится по формуле (1 1) в вычислительном устройстве 8, В случае непрерывной работы лазерных источников необходимость в синхрониэаторе отпадает, Таким образом, способ позволяет оперативно следить за величиной внешнего масштаба турбулентности в слое атмосферы, вплоть до высот более 9 «м, причем диапазон изменения измеряемой величины простирается до максимально физически возможных величин, наблюдаемых в реальной атмосфере.

В настоящее время следят за состоянием турбулентности в атмосфере, в частности за внешним масштабом турбулентности, используя промышленно изготовляемые датчики скорости ветра и температуры. Но подобные измерения имеют малую точность, поскольку датчики (особенно температуры) имеют большое время усреднения, а отыскание расстояния, на котором находящиеся на разных уровнях по вертикали датчики температуры покажут одинаковый квадрат градиента средней температуры и измерение дисперсии пульсаций разности температур на этих же уровнях — задача трудоемкая и требующая значительного времени. Кроме того, для проведения дистанционных измерений, а также измерения больших масштабов турбулентности потребовалось бы поднимать датчики от поверхности земли и устанавливать их на мачты, аэростаты и пр.

Таким образом, базовый объект обладает рядом существенных недостатков, от ко- .торых свободен предлагаемый способ измерения внешнего масштаба турбулентности.

1135318

Фиг. 2

Составитель Н.Бочкарев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор.С.Шекмар

Редактор И.Шубина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101.Заказ 1961 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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