Бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы
Изобретение относится к наземным аппаратным средствам акустического дистанционного зондирования нижних слоев атмосферы и может быть использовано для получения информации о скорости и направлении ветра, пульсационных характеристиках ветра в приземном и пограничном слоях атмосферы, начиная от высот в 1 м. Бистатический содар позволяет в процессе зондирования запуском записи эхо-сигнала до старта излучения зондирующего импульса свести "мертвую зону" практически до нуля. Бисталический содар содержит комплект приемо-излучающих антенн по количеству зондируемых направлений, причем излучающая и приемная антенны каждого канала имеют самостоятельные корпуса, примыкающие друг к другу, кроме того, приемная антенна включает параболическое акустическое зеркало в фокусе которого установлен профессиональный микрофон-приемник эхо-сигнала, а излучающая антенна состоит из совокупности рупорных громкоговорителей с осями излучения, ориентированными коллинеарно оси параболы акустического зеркала приемной антенны, а каждый приемный канал состоит из принимающего микрофона, входного интегрального дифференциального усилителя, обеспечивающего микрофон фантомным питанием и выходом, соединенным с входом соответствующего аудиоинтерфейса управляющего компьютера, а зондирующие импульсы излучаются одновременно по всем излучающим каналам с частотой и длительностью, задающимися программным обеспечением управляющего компьютера. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к наземным аппаратным средствам акустического дистанционного зондирования нижних слоев атмосферы и может быть использовано для получения информации о скорости и направлении ветра, пульсационных характеристиках ветра в приземном и пограничном слоях атмосферы начиная от высот в 1 м (для ровных бетонных поверхностей - практически от 0 м) что особенно важно, например, на аэродромах.
Известны содары, действие которых базируется на явлении рассеяния акустических волн слышимого диапазона атмосферными мелкомасштабными турбулентными неоднородностями, что привело к широкому применению содаров для измерений профилей скорости ветра и параметров турбулентности в атмосферном пограничном слое (АПС). Современное развитие высоко-технологичных средств наземного дистанционного зондирования атмосферы, таких как сканирующие доплеровские радары и лидары не уменьшает роли содаров в исследованиях турбулентности в АПС (см. например, [Coulter and Kallistratova, 1999]).
Физические основы теории этого явления были заложены A.M. Обуховым [Обухов, 1941]. Развитие теории рассеяния в работах В.И. Татарского [Татарский, 1967] и А.С. Монина [Монин, 1961] и ее экспериментальное подтверждение [Каллистратова, 1959; Каллистратова и Татарский, 1960].
Известен доплеровский акустический локатор для мониторинга поля ветра и турбулентности в атмосферном пограничном слое, содержащий три параболические антенны, в фокусе которых установлены электроакустические преобразователи, соединенные через приемопередающее устройство, устройство управления и статистической обработки звуковых эхо-сигналов с устройством отображения параметров поля ветра и атмосферной: турбулентности, причем одна из антенн установлена вертикально, а две другие установлены с угловым наклоном относительно оси первой антенны, устройство управления и статистической обработки сигналов выполнено в виде ЭВМ с блоком памяти программ управления и статистической обработки сигналов, а устройство отображения - в виде дисплея. При этом приемо-передающее устройство выполнено одноканальным полностью аналоговым, включая задающий генератор электрических сигналов звуковых частот. Для последовательного во времени подключения к электроакустическим преобразователям различных параболических антенн локатор снабжен электромеханическим антенным переключателем (см. US 4573352, МПК: G01W 1/00, 1986). Недостатком известного доплеровского акустического локатора является недостаточная надежность, связанная с относительно низкой надежностью аналоговых и электромеханических элементов.
Известны содары типичная максимальная высота зондирования, для которых составляет 
при разрешении 
и "мертвой зоне" 
а для минисодаров 
и 
[Coulter and Kallistratova, 1999; Bradley, 2008].
В качестве же прототипа выбран содар, представляющий собой прибор по принципу действия аналогичный радиолокатору, т.е. прибор излучающий направленный импульс (для содара акустический) в атмосферу, принимающий ответный эхо-сигнал и анализирующий эхо, выделяя из него полезную информацию. Поэтому и основные компоненты прибора функционально аналогичны - совокупность приемо-передающих антенн, усилители мощности зондирующего импульса, усилители принятого входного эхо-сигнала, управляющий компьютер (компьютеры), управляемые интерфейсы между компьютером и электронными компонентами. Создан в Институте физики атмосферы РАН патент РФ 85001, G01W 1/00 2009.
Известные устройства имеют ряд недостатков, прежде всего существование значительных "мертвых зон".
Технической задачей заявленного изобретения является создание бистатической, с раздельными устройствами излучения зондирующего импульса и приема эхо - сигнала, установки, позволяющей начать запись эхо-сигнала до старта излучения зондирующего импульса, что сводит размер "мертвой" зоны практически до нуля. Такой подход использован в установке [Argentini et al, 2012], в которой излучатели располагались симметрично вокруг вертикальной приемной антенны.
Поставленная задача решается в установке бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы, содержащий комплект приемо-излучающих антенн по количеству обрабатываемых каналов, усилители мощности зондирующего импульса, соединенные с аудиоинтерфейсами - управляемыми компьютерами и входными микрофонными усилителями, при этом содар содержит n-ное количество комплектов по числу зондируемых направлений, причем излучающая 1 и приемная 2 антенны каждого канала имеют самостоятельные корпуса, примыкающие друг к другу, кроме того приемная 2 антенна, включает параболическое акустическое зеркало (на рисунке не показано) в фокусе которого установлен профессиональный микрофон-приемник (на рисунке не показан) эхо-сигнала, а излучающая 1 антенна, состоит из совокупности рупорных громкоговорителей (на рисунке не показаны) с осями излучения ориентированными коллинеарно оси параболы акустического зеркала приемной 2 антенны, а каждый приемный 2 канал состоит из принимающего микрофона (на рисунке не показан), входного интегрального дифференциального усилителя обеспечивающего микрофон фантомным питанием и выходом соединенным с входом соответствующего аудиоинтерфейса управляющего компьютера 3, а зондирующие импульсы излучаются одновременно по всем излучающим каналам, с частотой и длительностью задающимися программным обеспечением управляющего компьютера 3.
Кроме того, усилители мощности выполнены на интегральных микросхемах высокой степени интеграции, работающих в "классе D", а на приеме зондирующие импульсы от разных совокупностей каналов излучаются со сдвигом в часть времени скважности. Принимающий канал программно включается по времени на прием до того как, соответствующий ему излучающий канал включится на излучение, так, чтобы для анализа был принят и записан весь (неусеченный) эхо-импульс.
Блок - схема бистатического содара изображена на рис. 1. Здесь: антенны излучающие - 1 принимающие - 2, компьютер - 3.
Бистатическая конфигурация применена для уменьшения мертвой зоны содара, которая в моностатическом содаре определяется временем релаксации реверсивного электроакустического преобразователя при его переключении из режима излучения в режим приема. Электродинамические громкоговорители (в дальнейшем, "динамики"), являются наиболее эффективными широкополосными излучающими звук электроакустическими преобразователями. Коэфициент полезного действия высокочастотных рупорных динамиков обеспечивают обнаружение и измерение слабого рассеянного сигнала, уровень которого на 150-160 дБ ниже уровня зондирующего излучения. Однако, они обладают высокой добротностью, приводящей к долгому паразитному послезвучию по окончании короткого электрического импульса. В предлагаемой установке размеры "мертвой зоны" определяются только вертикальными геометрическими размерами шумозащитных экранов и составляют около 3-х метров. Количество аналоговых радиотехнических устройств в разработанном ВРМС - Высокого Разрешения Мини Содаре - сведено к минимуму: это только высокоэффективные усилители мощности TAS5630 и малошумящие микрофонные усилители SSM2019, обеспечивающие подключение микрофона с фантомным питанием. Все остальные функции выполняются компьютером. В качестве АЦП-ЦАП прибора используются компьютерные аудиоинтерфейсы (звуковые карты) высокого разрешения.
В рабочем режиме каналы наклонных антенн работают одновременно на разных частотах, а старт вертикального канала сдвинут на 0.5 с. При обработке эхо-сигналов проводится их предварительная фильтрация с использованием различных комбинаций окон (прямоугольного, Hamming и Gaussian), а затем методом быстрого преобразования Фурье определяется доплеровский сдвиг частоты.
Системные параметры:
| Несущие частоты компонент звукового локатора, Гц | 4500, 5000, 5500 |
| Длительность зондирующего импульса, с | 0.02 |
| Период посылок импульсов, с | 1 |
| Диапазон зондируемых высот, м | 3-45 |
| Разрешение по высоте (со скользящим средним), м | 1 |
| Диапазон измерения горизонтальной скорости ветра, м с-1 | 0.5-20 |
| Диапазон измерения вертикальной скорости ветра, м с-1 | 0.1-10 |
Работа бистатического содара для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы.
Верификация данных разработанного минисодара проводилась на Цимлянской научной станции (ЦНС) ИФА летом 2017 г. путем сравнения этих данных с измерениями скорости ветра ультразвуковым термометром-анемометром марки USA-1 (соником), установленным на 10-метровой мачте, расположенной на расстоянии 35 м от содара. Линейные размеры области пространственного осреднения данных составляли около 0.1 м для соника и около 2 м для ВРМС.
Примеры сопоставления временных ходов модуля скорости ветра и сравнения значений модуля скорости на высоте 10 м при 60-секундом осреднении приведены на рис. 2. Представлены сопоставительные результаты синхронных измерений модуля скорости ветра соником и ВРМС на высоте 10 м на Цимлянской научной станции ИФА. Слева: временной ход скорости в утренние часы 26 июля 2017 г. Справа: сравнение значений модуля скорости, измеренных в течение суток 26 июля 2017 г. соником и ВРМС. Время осреднения сравниваемых данных - 60 секунд.
Вычисленные по всей выборке средние значения модуля скорости ветра, измеренные соником и ВРМС, практически совпадают и равны 2.7 м с-1. Различие средней скорости между данными двух приборов составляет около 1%, что говорит об очень хорошей сходимости результатов при осреднении по выборкам большого размера.
Соответствующие среднеквадратичные отклонения по всей выборке составляют 0.84 и 0.64 м с-1 для содара и соника, соответственно.
Из сравнения левой и правой части Рис. 2 видно, что при 60-секундном осреднении минисодар статистически точно измеряет скорость ветра, несмотря на ее большие вариации по величине и по темпу изменения. Однако, амплитуда вариаций скорости, измеренной минисодаром, несколько выше, чем измеренной соником, что требует дополнительного анализа. В целом, проведенные сопоставления позволяют считать результаты измерений скорости ветра минисодаром ВРМС статистически достоверными. Этот вывод согласуется с результатами многочисленных проверок отечественных и зарубежных содаров и минисодаров.
Литература
1. Каллистратова М.А. Экспериментальное исследование рассеяния звука в турбулентной атмосфере // Доклады Академии Наук СССР. 1955. Т. 125. №1. С. 69-72.
2. Каллистратова М.А., Татарский В.И., 1960: «Об учете завихренности поля ветра при вычислении рассеяния звука в атмосфере». Акустический журнал, т. 6, №4, с. 503-505.
3. Монин А.С. 1961: «Некоторые особенности рассеяния звука в турбулентной атмосфере». Акустический журнал, т. 7, №4 с. 457-461 4, Обухов A.M. 1941: О распределении энергии в спектре турбулентного потока. ДАН СССР, т. 32, №1, с. 22-24.
5. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука. 1967. 548 с.
6. Argentini S., Pietroni I., Mastrantonio G, Petenko I., Viola A., 2012: Use of a high-resolution sodar to study surface-layer turbulence at night // Boundary-Layer Meteorol. 2012. V. 143. No. 1. P. 177-188.
7. Bradley Stuart Atmospheric acoustic remote sensing. / CRC Press. 2008. 265 p.
8. Coulter R. and M. Kallistratova 1999: The Role of Acoustic Sounding in a High-Technology Era. Meteorology and Atmospheric Physics 71(1), p. 3-13.
1. Бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы, содержащий комплект приемо-излучающих антенн по количеству обрабатываемых каналов, усилители мощности зондирующего импульса, соединенные с аудиоинтерфейсами, управляемыми компьютером(ами) и входными микрофонными усилителями, отличающийся тем, что содар содержит n-е количество комплектов по числу зондируемых направлений, причем излучающая и приемная антенны каждого канала имеют самостоятельные корпуса, примыкающие друг к другу, кроме того, приемная антенна, включает параболическое акустическое зеркало, в фокусе которого установлен профессиональный микрофон-приемник эхо-сигнала, а излучающая антенна состоит из совокупности рупорных громкоговорителей с осями излучения, ориентированными коллинеарно оси параболы акустического зеркала приемной антенны, а каждый приемный канал состоит из принимающего микрофона, входного интегрального дифференциального усилителя, обеспечивающего микрофон фантомным питанием и выходом, соединенным с входом соответствующего аудиоинтерфейса управляющего компьютера, а зондирующие импульсы излучаются одновременно по всем излучающим каналам с частотой и длительностью, задаваемыми программным обеспечением управляющего компьютера.
2. Бистатический содар по п. 1, отличающийся тем, что усилители мощности выполнены на интегральных микросхемах высокой степени интеграции, работающих в "классе D".
3. Бистатический содар по п. 1, отличающийся тем, что на приеме зондирующие импульсы от разных совокупностей каналов излучаются со сдвигом в часть времени скважности.
4. Бистатический содар по п. 1, отличающийся тем, что принимающий канал программно включается по времени на прием до того, как соответствующий ему излучающий канал включится на излучение, так, чтобы для анализа был принят и записан весь (неусеченный) эхо-импульс.
