Радиоакустический способ определения влажности воздуха

 

Изобретение относится к радиометеорологии. Цель изобретения - повышение точности измерений и уменьшение времени зондирования. Поставленная цель достигается тем, что акустические излучатели излучают вертикально вверх когерентные акустические импульсы /АИ/ с синусоидальным заполнением и различными длинами волн. Радиопередатчиками с помощью передающих антенн облучают АИ когерентными электромагнитными колебаниями с длинами волн синусоидального заполнения акустических импульсов, принимают приемными антеннами эхо-сигналы, выделяют и измеряют частоты доплеровского сдвига каждого принятого сигнала радиоприемниками и частотомерами соответственно, вычисляют скорость распространения акустических импульсов, преобразуют одну из выделенных частот преобразователем так, чтобы преобразованная частота стала равной другой частоте, измеряют сдвиг фаз между ними и по зависимости сдвига фаз между АИ от влажности воздуха определяют значение влажности. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) G 01 S 13 95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР.сСОЮЗМу

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ж

С (21) 4680681/09 (22) 18.04.89 (46) 15.08.91. Бюл. М 30 (71) Харьковский институт радиоэлектроники им.акад.M,К.Янгеля (72) С.И.Бабкин и Е.А.Васильченко (53) 621.396.96 (088,8) (56) Калистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука. 1985, с. 198, Бабкин С.И, и др. Измерение влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы, Труды IX Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч.II Исследование метеопараметров атмосферы. Томск. ИОА СО

АН СССР, 1986, с. 145 — 148. (54) РАДИОАКУСТИЧ ЕСКИ Й СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА (57) Изобретение относится к радиометеорологии. Цель изобретения — повышение точности измерений и уменьшение времени

Изобретение относится к радиолокации и связи и может быть использовано для дистанционной регистрации вертикальных профилей влажности воздуха при проектировании трасс радиорелейных линий связи, при исследованиях условий распространения УКВ в тропосфере, при метеообеспечении нужд народного хозяйства (прогнозы погоды, охраны воздушного бассейна и т.п.).

Целью изобретения является повышение точности и уменьшение времени измерений.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для реализации способа.

„SU „„1670641 А1 зондирования. Поставленная цель достигается тем, что акустические излучатели излучают вертикально вверх когерентные акустические импульсы (АИ) с синусоидальным заполнением и различными длинами волн. Радиопередатчиками с помощью передающих антенн облучают АИ когерентными электромагнитными колебаниями с длинами волн синусоидального заполнения акустических импульсов, принимают приемными антеннами эхо-сигналы, выделяют и измеряют частоты доплеровского сдвига каждого принятого сигнала радиоприемниками и частотомерами соответственно, вычисляют скорость распространения акустических импульсов, преобразуют одну из выделенных частот преобразователем так, чтобы преобразованная частота стала равной другой частоте, измеряют сдвиг фаз между ними и по зависимости сдвига фаз между АИ от влажности воздуха определяют значение влажности. 1 ил.

Устройство для реализации способа содержит передающие антенны 1 и 2, радиопередатчики 3 и 4, радиоприемники 5 и 6, Ch приемные антенны 7 и 8, опорный генера- 3 тор 9, преобразователь 10 высокой частоты, ° акустические излучатели 11 и 12, усилители

13 и 14 звуковик частот, генератор 15 звуко- ) в вой частоты, преобразователь 16 звуковой частоты, частотомеры 17 и 18, микроЭВМ

19, преобразователь 20 частоты доплеровского сдвига, регулируемый фазовращатель

21, измеритель 22 сдвига фаз.

Сущность способа заключается в следующем.

1670641

15

25

55 хЬ(Сзд

При распространении звуковых волн различной частоты в средах, в частности в газах, наблюдается дисперсия скорости звука, возникающая в случае, когда действие акустической волны приводит к неравновесному состоянию среды, возбуждая внутренние степени свободы. Перераспределение энергии между поступательными и внутренними степенями свободы происходит за некоторый промежуток времени г, который называется временем релаксации. В газах время релаксации зависит от температуры газа, его давления и наличия примесей других газов. В атмосферном воздухе роль такой примеси выполняет водяной пар.

Частота релаксации fp- — влажного возду х ха связана с влажностью выражением

fr=3,06 10 h, Гц, (1) где h= e/р — отношение пропорционального давления водяного пара к полному давлению воздуха.

Частоту релаксации можно найти иэ выражения, описывающего связь скорости звука в газе произвольной частоты с релаксационными процессами и имеющего вид

С = Со + (Соо — Со ), (2)

1+ар тг где Со — скорость звука при малых частотах;

Соо скорость звука при очень больших частотах; м = 2лf (f — частота звука).

В атмосфере при вертикальном распространении звука его скорость может быть вычислена по выражений

C> - Co +(Cce — Co ) . г . ОР тг

+Wz, 1+аР 2 3) где Wz — вертикальная составляющая скорости ветра.

Для исключения пространственно aðåМ8ННоА неоднородности гемпературы воздуха и скорости ветра на результа1ы определения частоты релаксации fp путем измерения скорости звука доплеровским радиолокатором необходимо измерить скорость акустических волн двух различных частот, одновременно распространяющихся в атмосфере.

Разность скоростей звука одной частоты при распространении в сухом воздухе и при 100% относительной влажности невелика, а поэтому изменение величины доплеровского сдвига частоты при измерении скорости звука доплеровским радиолокатором для этих крайних случаев не превышает

1-2 Гц.

Диапазон изменения относительной влажности, например. для умеренных широт лежит в пределах (30 — 90)%. При разрешающей способности измерения влажности около 6% (для штатных метеодатчиков широкого применения — гигрометров — эта величина составляет 5 — 7% относительной влажности) необходимо обеспечить 10 отсчетов влажности, т.е. разрешающая способность измерения частоты должна быть примерно равной 0,1 — 0,2 Гц

Измерение частоты с таким малым различием представляет собой сложную техническую задачу. Однако небольшое различие в скоростях звука при его дисперсии можно произвести путем регистрации сдвига фаз между, сигналами с частотами доплеровского сдвига принимаемых радиосигналов;

fg ft

p2 — p1 = Ь p = 2 л r

Сг Ci г С1 1 г (4) где r — расстояние;

С> и Сг — скорости звука на частотах f> и fz.

Звуковые колебания с частотой 11 и 1г являются модулирующими для отраженных радиосигналов, несущими информацию об атмосфере. Выделяемые на выходе приемника частоты доплеровских сдвигов при выполнении условия Брэгга, т.е. равенства длин волн синусоидального заполнения акустических импульсов удвоенной длине волны электромагнитного излучения, равны соответственно f> — fg и fz — fg . Поскольку измерение сдвига фаз обычно производится для колебаний с одинаковыми частотами, а при двухчастотном радиоакустическом зондировании выделяются две различные частоты доплеровского сдвига fg1 и аког,одну иэ них, например, fg, преобразуют с помощью целочисленного коэффициента преобразования k > 1, на который различаются длины волн синусоидального заполнения акустических импульсов. соответствующие звуковым частотам f1 и f2, так тобы fg1 k - fgz.

В этом случае выражение (4) можно записать следующим образом.

=2xf ° г (5) где С вЂ” средняя скорость звука.

Формула, позволяющая по измеренному сдвигу фаз вычислить влажность воздуха, имеет вид

e = P . åõð 0,385 Х

1 6 lili 1 1 где е и р — выражены в миллибарах, Устройство, реализующее способ, рабг тает следующим образом.

В микроЭВМ 19 с периферийными устройствами вывода данных записывается программа в соответствии с выражением (6), значения Ссо (рассчитываемые по формуле Лапласа для скорости звука при!:0KKретном значении приземной температуры воздуха, при которой производится определение влажности, или иным способом) и Ср (уменьшаемое на величину 0,0327, от

Coalçíà÷åíèÿ зондирующих частот звука {fl и f2), значение частоты f, на которой ведется измерение сдвига фаз, расстояние r, ча котором определяется влажность воздуха и приземное значение давления воздуха р, измеряемого барометром. Програл1л.а зондирования содержит также команды формирования длительности акустических импульсов в усилителях 13 и 14 знуковы частот (начала и конца акустических импульсов), запуска частотомеров 17 и 18 и измерителя 22 сдвига фаз, а также подпрограммы расчета скоростей распространения акустических импульсов по измеренным значениям частоты доплеровского сдвига по известному соотношению

С = fg А/2, где Л вЂ” длина волны радиолокатора, и расчета давления на высоте r no барометрической формуле, Колебания высокой частоты, генерируемые опорным генератором 9, поступак1т на вход радиопередатчика 3 и преобразователь 10 высокой частоты, в котором осуществляется преобразование (умножение) высокой частоты с целочисленным коэффициентом кратности {k > 1). например, k = 2; с выхода преобразователя 10 высокой частоты электрические колебания удвоенной частоты поступают на вход радиопередатчика 4. В радиопередатчиках 3 и 4 осуществляется формирование электрических колебаний радиочастот, генерируемых непрерывно, которые с помощью передающих антенн 1 и 2 излучаются вертикально вверх в атмосферу. Генератор 15 звуковой частоты генерирует электрические колебания звуковой частоты (генератор имеет возл1о;--.— ность изменения значения генерируемой частоты), эти колебания подаются на усилитель 13 звуковой частоты и на преобразователь 16 звуковой частоты, который преобразует (умножает) поступающую на него частоту с выбранным выше коэффициентом кратности (k = 2). Колебания генератора 15 звуковой частоты усиливаются усилителем 13 звуковой частоты, а удвоен=2, поступают далее на регулируемый фазое45 ращатель 21, служащий для компенсации

5

35 ные колебания звуконой частоты усиливаются усилителем 14 звуковой частоты. По импульсам, генерируемым микроЭВМ 19, в усили елях 13 и 14 звуковых частот формирую1ся мощные пакеты электрических колеба11ий звуковой частоты (например, снятием и подачей анодного напряжения на выходные каскады усилителей 13 и 14 звуковых час1от, подачей мещения и т.п,), которые подаются на входы акустических излучателей 11 и 12, а после преобразования излучаются ими вертика "IhH0 вверх в атмосферу в ниде Зкус . вских импульсон с синусои даЛьН 1М ЗаПОЛНЕНИЕМ И раЗЛИЧНЫМИ дЛИнал1. волн заполн чия, Отраженные нноднороднос гя лн1 à I мосферы, вызванными ilpGõîæäåíèi ì акустических импульсов

r; различными длинами волн сину:оидального аполнения, элект омагнитные колеба:и1 принимаются 1риемными антеннами 7 и "s, которые преобразуют их в электрические колебания, поступающие, в свою очередь, на выходы радиоприемников 5 и 6. где происходит усиление принимаемых сигналов и выделение частот доплеровского сднига этих сигналов (с помощью напряжений радиочастот, поступающих на входы радиоприемников 5 и 6 от радиопередатчиков 3 и 4 соответственно). Частоты доплеровского сднига принятых радиолокационных сигналон подаются на частотомеры 17 и 18, где производится измерение значений частот; по окончании измерения частотомеры 17 и

18 подают на соответствующие входы микроЭ Б М импульсы "Конец измерения", после чего осуществляется считывание значений доплсровского сдвига частоты с выходов часготомаров 17 и 18 и запись их в память микроЭВМ 19. С второго выхода радиоприeuIII;Ia 5 колебания частоты доплероеского сднига подаются на вход преобразователя

20 частоты, где они преобразовываются (умножаются) с коэффициентом кратности kнабега фазы в преобразо .. еле 20. С фаэоеращагеля 21 преобраэон ные колебания доплеровского сдвига час,оты поступают на первый вход измерителя 22 сдвига фаз, ча второй вход котооого поступают колебания частоты доплеровского сдвига с второго выхода радиоприемника 6. По кол1анде микроЭВМ 19 измеритель 22 сдвига фаз измеряет сдвиг фаз колебаниями частот доплеровского сдвига, после чего значение сдвига фаз записывается в память микроЭВМ 19, Определение значения влажности расчетным путем выполняет микроЭВМ 19, в дальнейшем это значение выводится на печать или на перфора1(ию.

1670641

Формула изобретения

Составитель А.Кочин

Редактор О.Спесивых Техред М,Моргентал Корректор М.Пожо

Заказ 2750 Тираж 361 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Радиоакустический способ определения влажности воздуха, заключающийся в том, что одновременно излучают вертикально вверх первый и второй когерентные акустические импульсы с различными и кратными друг другу длинами волн синусоидального заполнения, облучают акустические .,)импульсы первым и вторым электромагнитными колебаниями с длинами волн вдвое больше длин волн синусоидального заполнения соответственно первого и второго акустических импульсов, принимают первый и второй отраженные от акустических импульсов электромагнитные колебания, выделяют первый и второй сигналы с частотой доплеровского сдвига отраженных от акустических импульсов электромагнитных колебаний и измеряют частоты доплеровского сдвига, по которым вычисляют скорости движения акустических

5 импульсов с последующим определением влажности воздуха, отличающийся тем, «ro, с целью повышения точности и уменьшения времени измерений, после выделения сигналов с частотой доплеровского

10 сдвига первого и второго отраженных от акустических импульсов электромагнитных колебаний дополнительно преобразуют по частоте один из сигналов до частоты, равной значению частоты другого сигнала, измеря15 ют сдвиг фаз между сформированными таким образом сигналами, после чего определение влажности воздуха осуществляют по измеренному сдвигу фаэ.