Способ дистанционного измерения скорости ветра

Способ дистанционного измерения скорости ветра может быть использован для дистанционного бесконтактного определения скорости ветра в нижних слоях атмосферы. Техническим результатом изобретения является увеличение высоты дистанционного измерения скорости ветра, увеличение временного разрешения метода и уменьшение массогабаритных характеристик реализующих способ устройств. В атмосфере в двух точках на заданной высоте формируют на некотором расстоянии друг от друга два искусственных точечных источника звука, которые синхронно излучают по одному акустическому импульсу, затем принимают эти два акустических импульса в точке, расположенной у поверхности земли симметрично относительно этих звуковых источников, измеряют время распространения звука от первого и второго источников до точки приема и вычисляют компоненту скорости ветра из соотношения: V_в=L(t₂-t₁)/2t₁t₂sinα где V_в - величина вектора скорости ветра, коллинеарного прямой, связывающей источники звука, L - расстояние между источниками звука и точкой приема, t₁ - время распространения звукового импульса от 1-го источника звука до точки приема, t₂ - время распространения звукового импульса от 2-го источника звука до точки приема, α - угол между вертикалью, проходящей через точку приема, и направлением на источник звука. 1 ил.

 

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения. Предлагаемый способ может быть использован для дистанционного бесконтактного определения скорости ветра в нижних слоях атмосферы.

Известен способ дистанционного измерения скорости ветра, основанный на методе акустической локации, заключающийся в посылке в атмосферу звуковых импульсов определенной частоты, приеме рассеянных на атмосферных неоднородностях посланных звуковых импульсов, измерении доплеровского сдвига частоты принятых звуковых импульсов и определении величин компонент скорости ветра по доплеровскому сдвигу их частоты [1]. Известно устройство - акустический локатор, реализующей данный способ дистанционного измерения скорости ветра [2].

Основные недостатки данного способа обусловлены низким уровнем отношения сигнал-шум на входе акустического приемника из-за малой величины сечения рассеяния зондирующих импульсов атмосферными неоднородностями и случайными флуктуациями этой величины вследствие случайного характера структуры рассеивающих объектов (очагов турбулентности). По этой причине практическая реализация данного способа акустической локации требует использования мощных громоздких источников акустических импульсов рупорного типа и таких же крупногабаритных приемных антенн, выполнение измерений ведется методом накопления полезного сигнала при многократной посылке зондирующих импульсов, что снижает временное разрешение метода и уменьшает скрытность проведения измерений (актуально при использовании метода в войсках для обеспечения метеосопровождения выполнения боевых задач). Практическая дальность зондирования скорости ветра методом акустического зондирования ограничивается дистанциями до 1000 метров при наличии благоприятных внешних условий (отсутствии источников интенсивных звуковых шумов в районе действия акустического локатора).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является дистанционное определение величины компоненты скорости ветра на заданной высоте посредством измерения времени распространения звуковых импульсов от двух искусственно созданных в атмосфере источников звука до находящегося на поверхности земли акустического приемника. Технический результат - увеличение максимальной высоты дистанционного измерения скорости ветра, увеличение временного разрешения метода и уменьшение массогабаритных характеристик реализующих способ устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном способе акустической локации, для определения компоненты скорости ветра осуществляют прием приходящих из атмосферы звуковых импульсов, но в отличие от известного способа в атмосфере и двух точках на заданной высоте формируют на некотором расстоянии друг от друга два искусственных точечных источника звука, которые синхронно излучают по одному акустическому импульсу, затем принимают эти два акустических импульса в точке, расположенной у поверхности земли симметрично относительно этих звуковых источников, измеряют время распространения звука от первого и второго источников до точки приема и вычисляют компоненту скорости ветра, из соотношения:

где V_в - величина вектора скорости ветра, коллениарного прямой, связывающей источники звука, L - расстояние между источниками звука и точкой приема, t₁ - время распространения звукового импульса от 1-го источника звука до точки приема, t₂ - время распространения звукового импульса от 2-го источника звука до точки приема, α - угол между вертикалью, проходящей через точку приема, и направлением на источник звука.

На рисунке приведена схема, поясняющая предлагаемый способ дистанционного измерения скорости ветра.

На чертеже обозначено: А - точка нахождения 1-го источника звука; В - точка нахождения 2-го источника звука; С - точка приема звука (точка нахождения акустического приемника); L₁=L₂=L - расстояние от источников звука до точки приема звука; α - угол между вертикалью и направлением на источник звука, V_в - величина вектора скорости ветра, коллениарного прямой, связывающей источники звука А и В; - величина проекции вектора скорости ветра на направление L₁ (L₂); V_зв - величина вектора скорости звука, направленного к точке приема (точке С).

Предлагаемый способ дистанционного измерения скорости ветра заключается в следующем. Скорость распространения звука от источника до точки приема складывается из двух составляющих - собственной скорости звука в воздухе и скорости движения самого воздуха (скорости ветра) в направлении к точке приема. Из чертежа следует, что для 1-го источника звука эта скорость представляет собой сумму собственной скорости звука в воздухе и проекции скорости ветра на направление L₁, а для 2-го - разность собственной скорости звука в воздухе и проекции скорости ветра на направление L₂. Так как точка приема находится на оси симметрии точек расположения источников звука (L₁=L₂=L), время распространения звука от 1-го источника до точки приема составит величину t₁=L/(V_зв+V_в sinα), а время распространения звука от 2-го источника до точки приема - величину t₂=L/(V_зв-V_в sinα). Измерив величины t₁ и t₂, по известным L и α (эти величины задаются условиями проведения измерений), можно по формуле 1) вычислить искомое значение компоненты скорости ветра V_в на высоте нахождения источников звука (в предположении, что V_в не зависит от высоты и является постоянной величиной).

В предлагаемом способе источником полезного сигнала являются активные акустические источники, способные излучать существенно более высокую мощность звука, чем источник прототипа, в котором полезный сигнал содержат звуковые импульсы, рассеянные на неоднородностях атмосферы. Соответственно, предложенный способ позволяет определять ветровые характеристики на существенно больших высотах, чем это достигается в способе-прототипе. По этой же причине способ не требует применения мощных громоздких источников акустических импульсов рупорного типа и таких же крупногабаритных приемных антенн. Кроме того, для определения времени распространения звука от источников до точки приема достаточно провести единичное измерение без длительного накопления полезного сигнала, как это осуществляется в способе-прототипе, что сокращает время измерения до нескольких секунд и соответственно повышает временное разрешение измерений (практически временное разрешение способа определяется временем распространения звукового импульса от источников до точки приема и составляет для высоты 1 км величину порядка 3-4 сек). Многократно повторяющиеся в течение длительного времени однотонные звуковые импульсы, излучаемые передающей антенной излучателя в способе-прототипе, обладают существенно большим демаскирующим действием, чем генерация мощного, но однократного звукового импульса в атмосфере (особенно в условиях ведения боевых действий), что обеспечивает предлагаемому способу преимущество с точки зрения скрытности проводимых измерений.

Литература

1. Атмосфера. Справочник под ред. Седунова Ю.С., Ленинград. Гидрометеоиздат. 1991. стp.501.

2. Кузнецов Р.Д. Акустическим локатор ЛАТАН-3 для исследований атмосферного пограничного слоя. Журнал «Оптика атмосферы и океана», 2007 г., вып.20, №8, стр.749-752.

Способ дистанционного измерения скорости ветра, в котором осуществляют прием приходящих из атмосферы звуковых импульсов, отличающийся тем, что в атмосфере в двух точках, находящихся на одной заданной высоте, формируют на некотором расстоянии друг от друга два искусственных точечных источника звука, каждый из которых синхронно с другим излучает акустический импульс, затем принимают эти два акустических импульса в точке, расположенной у поверхности земли симметрично относительно этих звуковых источников, измеряют время распространения звука от первого и второго источников до точки приема и вычисляют компоненту скорости ветра, из соотношения:
V_в=L(t₂-t₁)/2t₁t₂sinα,
где V_в - величина вектора скорости ветра, коллинеарного прямой, связывающей источники звука, L - расстояние между источниками звука и точкой приема, t₁ - время распространения звукового импульса от 1-го источника звука до точки приема, t₂ - время распространения звукового импульса от 2-го источника звука до точки приема, α - угол между вертикалью, проходящей через точку приема, и направлением на источник звука.