Спосіб дистанційного вимірювання висотних профілів температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери

Спосіб дистанційного вимірювання висотних профілів температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери, що включає випромінювання в атмосферу пакета гармонічних коливань звуку, його прийом, перетворення прийнятих звукових коливань в електричні, визначення швидкості звуку, визначення температури, здійснення моностатичного зондування атмосфери у вертикальному напрямку, причому прийом розсіяних атмосферними неоднорідностями акустичних хвиль здійснюють через однакові інтервали часу по всій висоті зондування, що відповідає однаковим відрізкам висот, прохідних звуковою хвилею, множення прийнятих коливань на коефіцієнт n, що визначають з умови одержання необхідної точності при збереженні однозначності фази, вимір початкової фази прийнятих коливань звукової хвилі для кожного напрямку висотного інтервалу, обчислення різниці вимірюваних початкових фаз для заданих напрямків, визначення двох сусідніх інтервалів стробування і визначення різниці швидкостей звуку для двох сусідніх тимчасових інтервалів, що відповідають двом сусіднім висотним інтервалам за формулою 2 3 58456 4 температури повітря за допомогою акустичного прийнятих у момент часу t1,t2,t3 відповідно; зондування [Красненко Н.П. Акустическое зондиС3-2 - швидкість звуку на ділянці інтервалу вирование атмосферы, Новосибирск, изд. Наука, сот Δh3-2 Сибирское отделение, 1986, с.112-118] у бістатичC2-1 - швидкість звуку на ділянці Δh2-1 ному режимі зондування шляхом виміру часу надз наступним визначенням різниці темпеходження сигналу двох близьких висот і його виміратур для двох сусідніх висотних інтервалів по всій рюваній часовій затримці сигналу для цих висот і висоті зондування, вимір температури за допомоза відомої для цих висот різниці висот визначають гою високочутливого термометра для першого прийомного висотного інтервалу і прив'язка до швидкість звуку як С=(Н2-Н1)1 , а потім визначаобмірюваної температури у поверхні землі темпеють температуру повітря для цієї ділянки висот як 2 ратури обмірюваного висотного профілю відносТ°=[(Η2-Η1)Q] , них змін температури з висотою і одержання таким де Н2 і Н1 - прилеглі висоти; чином висотного профілю змін абсолютних зна - часовий зсув; чень температури. Q - коефіцієнт. Недоліком цього способу є те, що в ньому не Недоліком такого способу є низька точність враховують вплив ефекту Допплера на вимірювавизначення температури (нижче 1°К) за рахунок льні початкові фази прийнятих звукових хвиль, що того, що вимірюються безпосередньо самі часові веде до помилок особливо суттєвим за величиною зсуви, які мають малі абсолютні величини, що при використанні малого коефіцієнта множення призводить до високої відносної помилки при вичастоти η або при роботі без множення частоти. мірі температури, а також відносна складність чеВ основу винаходу способу дистанційного вирез розкиданість точок випромінювання і прийому, мірювання висотних профілів температури повітря яка пов'язана з використанням у ньому бістатичноза допомогою акустичного зондування атмосфери го режиму зондування, що вимагає рознесення поставлена задача шляхом моностатичного зонмісця випромінювання звуку і прийому звукових дування у вертикальному напрямку, вимірювання ехо-сигналів. початкових фаз коливань прийнятих ехо-сигналів Найбільш близьким за технічною сутністю до через однакові інтервали часу за висотою зондузапропонованого винаходу є спосіб дистанційного вання, визначення різниці швидкостей звуку між вимірювання висотних профілів температури повісусідніми висотними інтервалами, визначення різтря за допомогою акустичного зондування атмосниці температур за отриманими різницями швидфери [патент України №46523, МПК6 G01S13/95, костей, вимірювання температури для першого публ. 15.05.2002, Бюл. №5], що включає випромітимчасового інтервалу і прив'язки до неї висотного нювання в атмосферу пакета гармонійних колипрофілю відносних змін температури з висотою вань звуку, його прийом, перетворення прийнятих забезпечити завдяки вимірюванню частоти Доппзвукових коливань в електричні, визначення швидлера на всіх висотних інтервалах і врахування її кості звуку, визначення температури, здійснення впливу на початкові фази, які вимірюються, як помоностатичного зондування атмосфери у вертикамилки, більш високу точність вимірювання висотльному напрямку, причому прийом розсіяних атних профілів температури, розширити його можмосферними неоднорідностями акустичних хвиль ливості. здійснюють через однакові інтервали часу по всій Ця задача вирішена таким чином. висоті зондування, що відповідає однаковим відріУ способі дистанційного вимірювання висотних зкам висот, прохідних звуковою хвилею, множення профілів температури повітря за допомогою акусприйнятих коливань на коефіцієнт п, який визнатичного зондування атмосфери, що полягає у вичають з умови одержання необхідної точності при промінюванні в атмосферу пакета гармонійних збереженні однозначності фази, вимір початкової коливань звуку і його прийомі, перетворенні прифази прийнятих коливань звукової хвилі для кожйнятих звукових коливань в електричні, визначенні ного напрямку висотного інтервалу, обчислення швидкості звуку, визначенні температури,, здійсрізниці швидкостей звуку для двох сусідніх інтерненні моностатичного зондування атмосфери - у валів стробування і за формулою визначення різвертикальному напрямку, причому прийом розсіяниці швидкостей звуку для двох сусідніх тимчасоних атмосферними неоднорідностями акустичних вих інтервалів, що відповідають двом сусіднім хвиль здійснюють через однакові інтервали часу висотним інтервалам по всій висоті зондування, що відповідає однако  360 h1 360 h2 вим відрізкам висот, прохідних звуковою хвилею, 32  21   TC 32 TC 21 множення прийнятих коливань на коефіцієнт n, де ΔΔφ3-2 = φн3 - φн2 , який визначають з умови одержання необхідної ΔΔφ2-1 = φн2 - φн1 точності при збереженні однозначності фази, виде Δh1 - інтервал висот, що відповідає обмірюмірі i початкової фази прийнятих коливань звукованим початковим фазам φн2 і φн1 вої хвилі для кожного напрямку висотного інтерваΔh2 - інтервал висот, що відповідає обмірювалу, обчислення різниці обмірюваних початкових ним початковим фазам φн3 і φн2; причому приймафаз для заданих напрямків і визначення двох суються Δh1 = Δh2; сідніх інтервалів стробування, і за формулою виС1 - швидкість звуку на ділянці R1; значення різниці швидкостей звуку для двох сусідС2 - швидкість звуку на ділянці R2; ніх тимчасових інтервалів, що відповідають двом Τ - період коливань звукової хвилі (причому сусіднім висотним інтервалам приймається R1=R2); Фн1,φн2,φн3 - початкові фази звукових коливань, 5 58456 6 промінюваної і прийнятої частот значно менше 360 h1 360 h2 32  21   величини вимірювального строба фазометра. TC 32 TC 21 На Фіг.7 представлена функціональна схема де ΔΔφ3-2 = φн3 - φн2 , пристрою, за допомогою якого можна реалізувати ΔΔφ2-1 = φн2 - φн1 запропонований спосіб. Δh1 - інтервал висот, що відповідає обмірюваНа Фіг.8 представлено графік виміряних почаним початковим фазам φн2 і φн1 ткових фаз за період Δt на одній висоті без урахуΔh2 - інтервал висот, що відповідає обмірювавання ефекту Допплера (8а) і з урахуванням ефекним початковим фазам φн3 і φн2 причому приймату Допплера (8б). Вимірювання проводились на ються Δh1 = Δh2; частоті ~1кГц. Φн1,φн2, φн3 - початкові фази звукових колиСуть способу дистанційного вимірювання вивань, прийнятих у момент часу t1, t2, t3 відповідно; сотних профілів температури повітря за допомоС3-2 - швидкість звуку на ділянці інтервалу вигою акустичного зондування атмосфери, що вклюсот Δh3-2; чає моно-статичне зондування у вертикальному С2-1 - швидкість звуку на ділянці Δh2-1 напрямку, вимірювання початкових фаз прийнятих Τ - період коливань звукової хвилі ( причому коливань ехо-сигналів через однакові інтервали приймається R1=R2); часу за висотою зондування, визначення різності з наступним визначенням різниці температур швидкості звука між сусідніми висотними інтервадля двох сусідніх висотних інтервалів по всій висолами, визначення різності температур за одержаті зондування, вимір температури за допомогою ними різностями швидкостей, вимірювання темпевисокочутливого термометра для першого, прийоратури для першого висотного інтервалу і много, висотного інтервалу і прив'язка до обмірюприв'язки до неї висотного профілю відносних змін ваної температури у поверхні землі температури температури з висотою, вимірюють частоту Доппобмірюваного висотного профілю змін температулера на всіх висотних інтервалах з подальшим ри з висотою й одержання таким чином висотного урахуванням її впливу на вимірювальні початкові профілю змін абсолютних значень температури, фазові зсуви як помилку, що дозволяє підвисити згідно винаходу вимірюють частоти Допплера на точність способу і розширить його функціональні всіх висотних інтервалах для врахування їх у поможливості. чаткових фазових зсувів ΔφнΔφд (де Справа в тому, що частота Допплера має вплив на вимірювальну початкову фазу сигналу як T360   д N ), a ΔT=Tвип-Тпр. де систематична помилка, і її можна врахувати. Для T пояснення звернемося до Фіг.1 і Фіг.2. Твип період коливань частоти, що випромінюНа Фіг.1а,б у вигляді імпульсів зображені коється, ливання двох частот: коливання випромінюваної Тпр - період коливань частоти що приймається, частоти звукових хвиль (1) і коливання прийнятої N - кількість періодів у вимірювальному стробі. частоти звукових хвиль (2) для випадку, коли періРозглянемо більш докладно запропонований од прийнятої звукової хвилі Тпр менше періоду спосіб. коливань випромінюваної звукової хвилі Твип. На Фіг.1а представлені імпульси для запуску Відзначимо, що ефект Допплера починає вилічильника фази, які сформовані з коливань опорявлятися в момент початку приймання звукової ної (випромінювальної) частоти у вигляді вертикахвилі, якщо вона розсіялась об'ємом атмосферних льних ліній, що направлені вниз, для випадку, коли неоднорідностей, що рухається, тобто з цього моТпрТвип. зсуву, яке для випадку, коли час зміни фазового На Фіг.4а,б те саме, що й на Фіг.2а,б, але для зсуву від максимального його значення і до нуля випадку, коли Тпр>Твип. буде дорівнювати вимірювальному стробу, і склаНа Фіг.2б і Фіг.4б розглядається випадок, коли датиме Δφмакс/2.Δφмакс визначають з наступного величина вимірювального строба фазометра мевідношення нше або дорівнює періоду биття між коливаннями випромінюваної і прийнятої частотами. T360 Тс.вим д  N, На Фіг.5а,б те саме, що й на Фіг.2а,б, але для Tвип Твип випадку, коли період биття між коливаннями виде ΔΤ - різність між періодом випромінюваних промінюваної і прийнятої частот значно менше коливань звукової хвилі (Твип) і періодом коливань величини вимірювального строба. звукової хвилі, що приймаються (Тпр). Величину Тпр На Фіг.6а,б те саме, що й на Фіг.4а,б, але для визначають на підставі вимірювань частоти привипадку, коли період биття між коливаннями ви  7 58456 8 йнятого ехо-сигнала, а величину Твип визначають вхід якого з'єднаний з акустичною антеною 1, а за відомою частотою випромінюваних звукових вихід - з блоком помножувачів частоти 3 , вихід коливань, Δtc.вим - строб, що вимірюється. якого підключено до входу імпульсного фазометра На Фіг.2а,б ці ж самі два коливання (F1np і F2пр), 4, вихід якого підключено до ЕВМ 5, виходи якої але для випадку, коли між цими коливаннями є з'єднані зі входами акустичного локатора 2 і з імпочатковий фазовий зсув Δφн. Як випливає з пульсним фазометром 4, причому помножувач Фіг.2а,б величина Δφн з кожним періодом буде частоти містить перемикач , за допомогою якого зменшуватися на величину ΔΤ. У цьому випадку коефіцієнт множення n дискретно може змінювапочатковий фазовий зсув Δφн під впливом ефекту тися від n=nмін до n=nмакс (у нашому випадку в реаДопплера за час вимірювального строба Δtc.вим лізованому пристрої nмін=1, а nмакс=32), вимірювач зменшиться на величину ~ΔΤΝ, де N - число перічастоти або періодів прийнятих ехо-сигналів 6, одів у вимірювальному стробі, а середня величина вхід якого підключено до виходу акустичного локавимірювання Δφн буде занижена на величину тора 2, а вихід - до входу ЕВМ 5.  Пристрій працює наступним чином. T360 д  N . За сигналом з ЕВМ 5 акустичний локатор 2 чеT рез акустичну антену 1 випромінює пакет гармоОтже, для того щоб урахувати цю помилку, ми нійних акустичних коливань в атмосферу. Після повинні до вимірювальної величини Δφн додати чого акустична антена 1 перемикається на прийом величину φд. і веде прийом акустичних ехо-сигналів, розсіяних Аналогічна картина має місце і для випадку, атмосферними неоднорідностями. В акустичному коли Тпр>Твип. Графіки, що пояснюють вплив ефеклокаторі 2 прийняті звукові коливання перетворюту Допплера в даному випадку, зображені на ються в електричні коливання і надходять в блок Фіг.4а,б. Як випливає з Фіг.4а,б, ефект Допплера помножувачів частоти 3, де вони перемножуються виявляється в цьому випадку таким чином, що у задану кількість n разів. Одночасно до блоку фазовий зсув між коливаннями Твип і Тпр, під вплипомножувачів частоти 3 з акустичного локатора 2 вом ефекту Допплера зростає, і за час вимірюванадходять електричні коливання, з яких формульного стоба Atc.вим зростає, досягає максимальноються в акустичному локаторі 2 випромінювані го значення звукові коливання і помножуються у таке ж число Т360 N разів п, що і прийняті коливання. З блоку помноп  макс(макс  ). Tвип жувачів частоти 3 коливання надходять на фазометр 4. У фазометрі 4 вимірюють різність початкоСередня величина вимірюваного в даному равих фаз між прийнятими коливаннями і зі початкового фазового зсуву Δφн є завищувана випромінювальними. Потім з фазометра 4 вимірюна величину Δφмакс/2. вальні таким чином дані надходять в ЕВМ 5. Отже, ми розглянули вплив ефекта Допплера і Одночасно з виходу акустичного локатора 2 врахування його впливу на вимірювальну величиприйняті електричні коливання прийнятих акустичну ΔφΗ для випадку, коли вимірювальний строб них ехо-сигналів надходять на вхід вимірювача має величину менше ніж період биття Atc.вимТб. частоти або періодів 6 прийнятих ехо-сигналів, де В цьому разі, коли період биття Тб буде значно вимірюються частоти або періоди прийнятих ехоменше величини Δtc.вим , картина впливу ефекта сигналів. І вимірювальні там частоти або періоди Допплера на вимірювальну величину ΔφΗ буде прийнятих ехо-сигналів надходять потім в ЕВМ 5.В виглядати інакше. Для пояснення сказаного зверЕВМ 5 за заданим алгоритмом обчислюються усі немося к Фіг.5а,б і Фіг.6а,б, де зображені графіки, необхідні дані з урахуванням впливу частоти Допщо пояснюють вплив ефекту Допплера на вимірюплера на вимірювальні різності початкових фаз вальну величину Δφн для випадку , коли Тпр>Твип прийнятих ехо-сигналів. (Фіг.5а,б) і коли Тпр