Спосіб дистанційного вимірювання анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери при акустичному зондуванні атмосфери

Спосіб дистанційного вимірювання анізотропії інтенсивності температурних п ульсацій атмосфери при акустичному зондуванні атмосфери, що включає випромінювання в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку у вертикальному напрямку і у відмінних за кутом місця напрямках чи одночасно по черзі з однієї точки на місцевості, прийом розсіяних температурними неоднорідностями акустичних хвиль, перетворення прийнятих акустичних хвиль в електричні коливання, вимір амплітуди ехо-сигналу для кожного напрямку через однаковий час з моменту випромінювання, що відповідає однаковій дальності прийому, визначення за формулою коефіцієнта анізотропії Ka як відношення амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для вертикального напрямку ArВ , до амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для горизон 3 64467 горизонтальною базою, для однієї і тієї ж висоти, на якій розташовувався двоточковий термометр з горизонтальною базою. Коефіцієнт анізотропії Кa у цьому випадку визначається як С2 Кa = N (1) C2 T Недоліком такого способу є те, що він не є чисто дистанційним, оскільки для його здійснення потрібно застосування метеорологічної вишки поряд із содаром. Найбільш близьким за технічною сутністю до заявленого є спосіб дистанційного вимірювання анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування [Дєлов І.А., Сліпченко M.I. Спосіб дистанційного вимірювання анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування. Патент України №46519А від 15 травня 2002], що включає випромінювання в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку у вертикальному напрямку і під деяким кутом від вертикалі чи одночасно 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 Кa , як відношення амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для вертикального напрямку ArB , до амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для горизонтального напрямку ArГ , причому ве личина ArГ визначається графічно шляхом апроксимації залежності Ar = f (lg a ) до перетинання її з віссю lg Ar при значеннях a = 90° , причому вимір амплітуди акустичного ехо-сигналу Ar для різних напрямків проводять при однаковій висоті, при цьому прийом і вимірювання амплітуди е хосигналу у вертикальному напрямку проводять з висоти hn , а при похилому зондуванні з дальності R = hn / cos a , де a - кут між вертикаллю і напрямком зондування, причому для компенсації загасання амплітуди е хо-сигналу, зв'язаного з розходженням відстаней R і h , її величина для похилого зондування збільшується в 1/ cos a раз і визначення коефіцієнта анізотропії Кa за відомою формулою. Недоліком такого способу є те, що вимірювання анізотропії інтенсивності температурних пульсацій проводять на одній частоті зондування, що обмежує інформативні можливості способу. В основу винаходу способу дистанційного вимірювання анізотропії інтенсивності температурних пульсацій при одночасному акустичному зондуванні атмосфери поставлена задача шляхом одночасного акустичного зондування атмосфери й одночасного прийому відбитих акустичних хвиль 4 на декількох частотах розширити інформативні можливості способу. Ця задача вирішена так. У способі дистанційного вимірювання анізотропії інтенсивності температурних пульсацій атмосфери за допомогою акустичного зондування атмосфери, що полягає у випромінюванні в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку у вертикальному напрямку й в інших відмінних за кутом місця напрямках чи одночасно по черзі з однієї точки на місцевості, прийомі розсіяних температурними неоднорідностями акустичних хвиль, перетворенні прийнятих акустичних хвиль в електричні коливання, вимірювання амплітуди ехо-сигналу для кожного напрямку через однаковий час з моменту випромінювання, що відповідає однаковій дальності прийому, визначенні за формулою коефіцієнта анізотропії Кa , як відношення амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для вертикального напрямку ArB , до амплітуди акустичного ехо-сигналу, знайденого для горизонтального напрямку ArГ , причому величина ArГ визначається графічно шляхом апроксимації залежності Ar = f (lg a ) до перетинання її з віссю lg Ar при значеннях a = 90° , причому вимірювання амплітуди акустичного ехо-сигналу Ar для різних напрямків проводять при однаковій висоті, при цьому прийом і вимірювання амплітуди е хосигналу у вертикальному напрямку ведуть с висоти h0 , а при похилому зондуванні з дальності R = hn / cos a , де a - кут між вертикаллю і напрямком зондування, причому для компенсації загасання амплітуди е хо-сигналу, зв'язаного з розходженням відстаней R і h , її величина для похилого зондування збільшується в 1/ cos a раз і визначенні коефіцієнта анізотропії Кa за формулою, згідно з винаходом роблять випромінювання в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку у вертикальному напрямку і під деяким кутом а від вертикалі одночасно на декількох частота х, а також прийом акустичних хвиль, розсіяних температурними неоднорідностями, проводять одночасно для всіх випроменених частот і по них для всіх розмірів температурних неоднорідностей, що розсіюють випромінювані звукові хвилі, визначають коефіцієнт анізотропії, причому розмір температурної неоднорідності ( l ) для кожної випроміненої l частоти звуку визначають зі співвідношення l = n 2 (де l n - довжина хвилі випромінюваної звукової частоти fn ). Цим розширюється інформативність способу, оскільки в пропонованому способі виміряюється анізотропія інтенсивності температурних пульсацій одночасно для декількох розмірів температурних неоднорідностей, що при відомих випромінюваних звукових частота х можна зі співвідношення l l= зв визначати розмір неоднорідностей для 2 кожної випроміненої звукової частоти й одержува 5 64467 ти в такий спосіб залежності вимірюваної анізотропії інтенсивності температурних пульсацій від їхнього розміру, а також визначати вид структурних функцій для вертикального напрямку за обмірюваною залежністю величини анізотропії температурних неоднорідностей від їхніх розмірів, оскільки між цією залежністю і видом структурної функції існує певний зв'язок. Розглянемо більш докладно пропонований спосіб. На Фіг.1 схематично представлене зондування атмосфери з однієї точки на місцевості в двох різних напрямках: у вертикальному і під деяким кутом a від вертикалі. На Фіг.2 схематично представлене зондування атмосфери при наявності в опроміненому обсязі спектра, температурних неоднорідностей. На Фіг.3 представлена функціональна схема пристрою для реалізації пропонованого способу. Як відомо, амплітуда акустичного ехо-сигналу, розсіяного температурними неоднорідностями Ar , визначається середньоквадратичним значенням флуктуацій температурних неоднорідностей s (чи l CN ), що мають розміри l = (де l - довжина 2 випромінюваної акустичної хвилі), дальністю R і загасанням різного виду L , в основному молекулярним s -1 (2) Ar = L R Як показують розрахунки, загасання L до висот нижче ~300м незначне і його можна не враховувати, то з виразу (2) випливає, що амплітуда ехо-сигналу Ar визначається в основному двома параметрами: s і R . При однаковому значенні R і h ( R = h ) розходження амплітуд Ar , обмірюваних для двох напрямків, визначатиметься лише величиною s . Однак у відомому способі для того, щоб вимірювання вести при одній висоті і тим самим виключити вплив висотної залежності на вимірювану величину Ar для двох напрямків, величина R для похилого зондування обирається рівною R = h / cos a . А для того, щоб усун ути розходження в загасанні амплітуд е хо-сигналів Ar для двох напрямків, пов'язане з розходженням дальності, відбувається множення амплітуди е хосигналу, прийнятого під кутом a у 1/ cos a раз. 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 дво х 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 витягн уті у вертикальному напрямку - при хитливій стратифікації, чи в горизонтальному напрямку - при стійкій стратифікації) і це розходжен 6 ня амплітуд ехо-сигналів, отриманих для двох напрямків, буде тим більше, чим більше буде виражена стратифікація. Отже, у відомому способі анізотропія інтенсивності температурних неоднорідностей визначається для неоднорідностей строго одного розміру, l обумовленого співвідношенням l = . 2 У пропонованому способі випромінювання гармонійних коливань звуку відбувається одночасно на декількох частотах ( n ). У цьому випадку ми, звичайно, маємо можливість вимірювати одночасно анізотропію декількох неоднорідностей (n ), розміри яких визначатимуться співвідношенням l l = n . Для цього, звичайно, необхідно одночасно 2 приймати ехо-сигнали для усіх ( n ) випромінюваних звукових хвиль. Отже, розширюється інформативність способу, оскільки вимірюючи одночасно анізотропію для декількох неоднорідностей, ми можемо вирішува ти нові наукові і практичні задачі. Зокрема, наприклад, одержуючи залежність анізотропії температурних неоднорідностей від їхнього розміру, ми можемо дозволити істину конкуруючи х гіпотез щодо зміни анізотропії атмосферних неоднорідностей при зменшенні їхніх розмірів. Так, згідно з однією з них [Обухов A.M. Турбулентность и динамика атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1988р. 413с.], анізотропія атмосферних неоднорідностей зі зменшенням розмірів їх повинна зменшуватися і для розмірів, менших розмірів інерційної підобласті спектра, має зникнути. Відповідно до іншої [Монин А.С. О влиянии температурной стратификации среды на турбулентность. В кн. Труды международного коллоквиума «Атмосферная турбулентность и распространение радиоволн». -М.: Наука, 1965г. С.113-119] анізотропія атмосферних неоднорідностей має існувати для неоднорідностей усі х розмірів, а згідно [Дєлов І.А, Сліпченко H.I. Деякі результати оцінки анізотропії параметрів атмосфери за даними акустичного зондування. Радіотехніка. Всеукр. научн.-техн. зб. Вип. №121, 2001р. С.54-56] анізотропія атмосферних неоднорідностей зі зменшенням розмірів неоднорідностей має зростати. Пропонований спосіб дозволяє також визначати зв'язок між обмірюваною залежністю коефіцієнта анізотропії від розміру неоднорідності і видом структурних функцій. Реалізація запропонованого способу здійснюється в такий спосіб. За допомогою акустичного локатора, що працює в моностатичному режимі зондування (випромінювання і прийом звукових хвиль ведеться з однієї точки), відбувається імпульсне зондування атмосфери одночасно на декількох частотах ( fn ) у вертикальному напрямку протягом 2-3 хвилин. При цьому ведеться реєстрація амплітуд прийнятих ехо-сигналів для усіх випромінених частот ( fn ) через час t , після випромінювання сигналу це відповідає висоті h = tc (де c - швидкість звуку в період зондування). 7 64467 Потім відбувається зондування під кутом a1 від вертикалі і також ведеться реєстрація амплітуд ехо-сигналів, але вже через час t2 = t1cos a1 протягом 2-3 хвилин. Потім антена акустичного локатора повертається на новий кут зондування a 2 і також проводиться реєстрація амплітуд ехосигналів, тепер вже через час t3 = t1 cos a 2 протягом 2-3 хвилин і так для кожного обраного кута зондування. Потім за допомогою ЕОМ знаходимо середнє значення амплітуд для кожного напрямку Arср , збільшуємо амплітуди Arср у 1/ cos a раз, будуємо залежність lg Arср = f (lg a ) і визначаємо Ar для горизонтального напрямку шля хом апроксимації залежності lg Ar = f (lg a ) до перетинання її з віссю lg Ar при значенні a = 90° . Після чого за формулою визначаємо величину Ka Ar1 . Ar2 Розглянемо пристрій для реалізації пропонованого способу, функціональна схема якого подана на Фіг.3, що містить акустичну антену 1, підклюKa = Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 8 чену до виходу акустичного випромінювача 2, входом підключеного до виходу синхронізатора 4; акустичний приймач, що має п приймальних каналів, відповідно для кожної випромінюваної частоти, входом приєднаний до антени 1, а виходом до реєстратора амплітуд е хо-сигналів 5; реєстратор амплітуд е хо-сигналів 5, виходом підключений до ЕОМ 6; ЕОМ 6, підключена до входу синхронізатора 4; синхронізатор 4, виходом підключений до антени 1, акустичного випромінювача 2, реєстратора амплітуд ехо-сигналів 5. Робота пристрою. За сигналом з ЕОМ 6 акустичний випромінювач 2 випромінює через антену 1 у заданому напрямку одночасно пакет декількох акустичних хвиль, через заданий час t прийняті акустичним приймачем 5 акустичні ехо-сигнали на всіх випроменених частотах надходять на реєстратор амплітуд ехо-сигналів, зі виходу якого значення обмірюваних одночасно для всіх частот амплітуд надходять на ЕОМ 6, де за заданою програмою обчислюються значення коефіцієнтів анізотропії Ka для заданої висоти для всіх частот ехо-сигналів і усереднюється для кожної прийнятої частоти за вимірюваний інтервал часу. Як бачимо, пропонований спосіб розширює інформативність його за рахунок одночасного вимірювання анізотропії для спектра неоднорідностей. Підписне Тира ж 26 прим. Міністерств о осв іти і нау ки України Держав ний департаме нт інте лекту альної в ласності, ву л. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститу т промислов ої в ласності”, ву л. Глазу нов а, 1, м. Київ – 42, 01601