Спосіб дистанційного виміру анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування

Спосіб дистанційного виміру анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування, що включає випромінювання в атмосферу пакета гармонічних коливань звуку у вертикальному напрямку і під кутом до вертикалі одночасно чи по черзі з однієї точки на місцевості, прийом розсіяних температурними неоднорідностями акустичних хвиль, перетворення прийнятих звукових коливань в електричні, вимір амплітуди ехо-сигналу для кожного напрямку через однаковий з моменту випромінювання час, що відповідає однаковій дальності прийому, визначення за формулою коефіцієнта анізотропії Ка як відношення амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для вертикального напрямку Агв, до амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для горизонтального напрямку Агг, причому величина Агг визначається графічно шляхом апроксимації залежності Ar = f(lga)flo перетинання її з віссю Ід Аг при Винахід відноситься до радіолокаційної метеорологи, а саме до акустичних способів виміру параметрів атмосфери, і може бути використаний при складанні радюкліматичних карт і в роботах з контролю забруднення атмосфери Відомий спосіб виміру анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери (Chen Jen Juon, Li Shinning, Ju Naipmg, 1984, The Cn 2 measurenents by Soalar and contact method Dasc KESUE, Sci atms Sen , v 8, № 2, p 153) на підставі порівняння структурної характеристики флуктуацій чому порівнювалися значення структурних характеристик, отриманих на підставі содарних вимірів і за допомогою двоточкового термометра з горизонтальною базою, для однієї і тієї ж висоти, на якій розташовувався двоточковий термометр із горизонтальною базою Коефіцієнт анізотропії Ка в цьому випадку визначається як показника переломлення звукових хвиль С^, отриманої на підставі вимірюваних амплітуд акустичних ехо-сигналів вертикально спрямованим содаром, розташованим у основи метеорологічної вишки, зі структурною характеристикою температурних флуктуацій С^, отриманої на підставі вимірюваних за допомогою двоточкового термометра з горизонтальною базою «1м, розташованого на метеорологічній вишці на висоті близько 80м, при значеннях a = 90°, який відрізняється тим, що вимір амплітуди акустичного ехо-сигналу Аг для різних напрямків ведуть при однаковій висоті, при цьому прийом і вимір амплітуди ехо-сигналу у вертикальному напрямку ведуть з висоти h n ,a при похилому зондуванні з дальності R = h n /cosa, де a - кут між вертикаллю і напрямком зондування, причому величина амплітуди ехо-сигналу для похилого зондування збільшується в 1/cosa разів О) Недолік такого способу - що він не є чисто дистанційним, оскільки для його здійснення потрібно застосування метеорологічної вишки разом із содаром Найближчим за технічною сутністю до заявленого є спосіб дистанційного виміру анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування (Дєлов І А Результати оцінки анізотропії параметрів атмосфери дистанційним зондуванням -Харківський інститут радіоелектроніки - Харків, 1987-18с), що ю (О 46519 включає акустичне зондування атмосфери в моностатичному режимі з однієї точки на місцевості у вертикальному напрямку та в одному чи декількох напрямках під деяким кутом від вертикалі одночасно чи по черзі, прийом акустичних ехо-сигналів і вимір амплітуди акустичного ехо-сигналу, причому прийом акустичних ехо-сигналів для кожного напрямку здійснюється через однаковий час з моменту випромінювання, визначення коефіцієнта анізотропії Ка за формулою A Ka- r> Ml Ка ~~7~~ > ^ де для випадку якісної оцінки ефекту анізотропії А г і - амплітуда ехо-сигналу для вертикального напрямку, Аг2 - амплітуда ехо-сигналу для похилого напрямку Для випадку кількісної (більш точної) оцінки коефіцієнта анізотропії А г і - амплітуда ехосигналу для вертикального напрямку, Аг2 - амплітуда ехо-сигналу, знайденогодля горизонтального напрямку графічно шляхом апроксимації залежності Ід Аг = f(lg а) до перетинання и з віссю Ід Аг при значеннях а = 90°, причому при побудові залежності Ig Ar = f(lg а) використовують значення Аг для кожного напрямку, вимірювані при однаковій дальності (тут а - кут між вертикаллю і напрямком зондування) Недоліком такого способу є те, що в ньому не враховується висотна залежність інтенсивності температурних флуктуацій, що неминуче призводить до помилок у визначенні коефіцієнта анізотропії за рахунок того, що при однаковій дальності зондування при різних кутах зондування висота буде різна В основу винаходу способу дистанційного виміру анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування атмосфери поставлена задача шляхом випромінювання в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку у вертикальному й інших ВІДМІННИХ за кутом місця напрямках одночасно чи по черзі з однієї точки на місцевості, прийому розсіяних температурними неоднорідностями акустичних хвиль, перетворення прийнятих звукових коливань в електричні, виміру амплітуди ехо-сигналу для кожного напрямку, визначення коефіцієнта анізотропії забезпечити більш високу точність виміру коефіцієнта анізотропії Ця задача розв'язується так У способі дистанційного виміру анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування атмосфери, що полягає у випромінюванні в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку у вертикальному й інших ВІДМІННИХ за кутом місця напрямках одночасно чи по черзі з однієї точки на місцевості, прийомі розсіяних температурними неоднорідностями акустичних хвиль, перетворення прийнятих звукових коливань в електричні, вимірі амплітуди ехо-сигналу для кожного напрямку через однаковий з моменту випромінювання час, що відповідає однаковій дальності прийому, визначенні коефіцієнта анізотропії, згідно з винаходом здійснюють вимір амплітуди акустичного ехо-сигналу для різних напрямків при однаковій висоті Цим усувається помилка у визначенні кое фіцієнта анізотропії, пов'язана з впливом висотної залежності інтенсивності температурних пульсацій, що розсіюють звукові хвилі Досягається це тим, що прийом і вимір амплітуди ехо-сигналу у вертикальному напрямку ведеться з висоти hn, а при похилому зондуванні з дальності Rn = hn/cosa (де a - кут між вертикаллю і напрямком зондування) Причому з метою компенсації загасання амплітуди ехо-сигналу за рахунок розходження дальностей, при яких порівнюються амплітуди ехо-сигналів для похилого зондування, вимірювана амплітуда ехо-сигналу збільшується в 1/cosa разів, а потім визначають коефіцієнт анізотропії за формулою Ка = ^ , (2) Аг2 де для випадку одержання якісної оцінки анізотропії Агі - амплітуда ехо-сигналу, вимірювана для вертикального напрямку, АГ2 - амплітуда ехосигналу, вимірювана для похилого зондування Для випадку одержання точних КІЛЬКІСНИХ ОЦІНОК коефіцієнта анізотропії у виразі (І) Аг2 - амплітуда ехо-сигналу, вимірювана для вертикального напрямку, АГ2 - амплітуда ехосигналу для горизонтального напрямку, отримана графічно шляхом апроксимації залежності Ід Аг = f (Ід а) до перетинання и з віссю Ід Аг при значеннях a = 90°, причому при побудові залежності Ід Аг = f (Ід а) використовують усі значення Аг, приведені до загальної висоти, тобто для кожного напрямку ап, вимірювана величина амплітуди ехо-сигналу Агп на дальності Rn = h/cosan збільшується в 1/cosan разів з метою компенсації розходження в загасанні хвиль через розходження відстані R і h Розглянемо більш докладно запропонований спосіб На фіг 1 схематично зображено зондування температурної неоднорідності М моностатичним акустичним локатором під двома різними кутами у вертикальному і під деяким кутом а до вертикалі На фіг 2 схематично представлене зондування атмосфери з однієї точки на місцевості в двох різних напрямках у вертикальному і під деяким кутом а до вертикалі На фіг 3 зображені функціональна схема пристрою для реалізації пропонованого способу Як відомо, амплітуда акустичного ехо-сигналу, розсіяного температурними неоднорідностями Аг, визначається середньоквадратичним значенням флуктуації температурних неоднорідностей а (чи CN), що мають розміри 1 = х/2 (де х - довжина випромінюваної акустичної хвилі), дальністю R і загасанням різного виду L, в основному молекулярним Ar=^L"' (2) к Як свідчать розрахунки, оскільки загасання L до висот нижче ~ 300м незначне і його можна не враховувати, то з виразу (2) випливає, що амплітуда ехо-сигналу Аг визначається в основному двома параметрами а і R Як випливає з фіг 1, величина R = h /cosa і, отже, розходження в загасанні амплітуд ехо-сигналів Аг для двох порівнюваних напрямків, пов'язане з розходженням даль 46519 ності до однієї і тієї ж неоднорідності при вертикальному і похилому зондуванні, можна врахувати шляхом множення амплітуди ехо-сигналу прийнятого під кутом а, у 1/cosa разів Таким чином, якщо опромінювані температурні неоднорідності ізотропні і, отже, інтенсивність розсіювання ними акустичних хвиль не залежить від напрямку, то при порівнянні амплітуд ехо-сигналів, отриманих для однієї і тієї ж висоти в двох напрямках, ми знайдемо, що вони будуть однаковими При наявності анізотропії інтенсивність розсіювання температурними неоднорідностями звукових хвиль залежатиме від напрямку і, отже, порівнювані амплітуди ехо-сигналів для двох напрямків будуть різні і це розходження визначатиметься видом і ступенем анізотропії температурних неоднорідностей (температурні неоднорідності можуть бути витягнуті у вертикальному напрямку - при хитливій стратифікації, чи в горизонтальному напрямку при СТІЙКІЙ стратифікації), і розходження амплітуд ехо-сигналів, отриманих для двох напрямків, буде тим більше, чим більше буде виражена стратифікація сигналу через час t, після випромінювання сигналу Це відповідає висоті h = t*C (де 3 - швидкість звуку в період зондування) Потім роблять зондування під кутом а, від вертикалі і також ведеться реєстрація амплітуд ехосигналів, але вже через час Ь = t-i/cosa-i, протягом 2 - 3 хвилин Потім антена акустичного локатора повертається на новий кут зондування аг, і також ведеться реєстрація амплітуд ехо-сигналів, тепер вже через час t3 = t-i/cosa,2, протягом 2 - 3 хвилин і т д для кожного обраного кута зондування Як випливає з фіг 2, якщо робити порівняння амплітуд ехо-сигналів, отриманих для двох напрямків при однаковій дальності R, то при похилому зондуванні висота завжди буде менше в cosa разів і, отже, при наявності висотної залежності інтенсивності температурних неоднорідностей, навіть при відсутності анізотропії, ми будемо спостерігати розходження амплітуд ехо-сигналів при зондуванні в двох різних за кутом місця напрямках Як показують експериментальні дані акустичних зондувань, інтенсивність температурних неоднорідностей ІСТОТНО ЗМІНЮЄТЬСЯ З ВИСОТОЮ І, ОТЖЄ, Розглянемо пристрій для реалізації пропонованого способу, функціональна схема якого зображена на фіг 3, що містить акустичну антену 1, підключену до виходу акустичного випромінювача 2, входом підключеного до виходу синхронізатора 4, акустичний приймач 3, входом приєднаний до антени 1, а виходом до реєстратора амплітуд ехосигналу 5, реєстратором амплітуд ехо-сигналів 5, виходом підключений до ЕОМ 6, ЕОМ 6 підключеного до входу синхронізатора 4, синхронізатор 4, виходом підключений до антени 1, акустичного випромінювача 2, реєстратора амплітуд ехосигналів 5 неврахування цього фактора неминуче призведе до помилок у вимірі коефіцієнта анізотропії температурних пульсацій Таким чином, запропонований спосіб порівняно з відомим має більшу точність при вимірі анізотропії температурних неоднорідностей, оскільки виміру амплітуд ехо-сигналів відбувається при одній висоті Реалізація пропонованого способу здійснюється так На акустичному локаторі, працюючому в моностатичному режимі зондування (випромінювання і прийом звукових хвиль ведеться з однієї точки) відбувається імпульсне зондування атмосфери у вертикальному напрямку протягом 2 - 3 хвилин При цьому ведеться реєстрація амплітуди ехо Потім за допомогою ЕОМ знаходимо середнє значення амплітуд для кожного напрямку A r c D , збільшуємо амплітуди А г с р у 1/cosa разів, будуємо залежність Ig A r c p = f (Iga) і визначаємо Аг для горизонтального напрямку шляхом апроксимації залежності Ід Аг = f (Iga) до перетинання її з віссю Ід Аг при значенні a = 90° Після ЧОГО за формулою визначаємо величину Ка Робота пристрою За сигналом з ЕОМ 6 акустичний випромінювач 2 випромінює через антену 1 у заданому напрямку пакет акустичних хвиль, через заданий час t прийняті акустичним приймачем З акустичні ехо-сигнали надходять на реєстратор амплітуд ехо-сигналів, з виходу яких значення вимірюваних амплітуд надходять на ЕОМ 6, де за заданою програмою обчислюються значення коефіцієнтів анізотропії Ка для заданої висоти й усереднюються за вимірюваний інтервал часу Як бачимо, пропонований спосіб дає більш високу точність виміру коефіцієнта анізотропії температурних неоднорідностей, дозволяє вимірювати їхні часові залежності на заданій висоті 46519 77777777777777977777777777777777777777^ 777777777777777777777777777777777777771 ФІг, 2 Фїг. 1 Акустичний випромінювач 2 Реєстратор амплітуд 5 ЕОМ 6 Акустичний приймач З Синхронізатор Фіг, З ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71