Спосіб дистанційного вимірювання відносних змін температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери

УКРАЇНА (19) UA (11) 61346 (13) C2 (51) МПК G01S 13/95 (2006.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ДИСТАНЦІЙНОГО ВИМІРЮВАННЯ ВІДНОСНИХ ЗМІН ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ ЗА ДОПОМОГОЮ АКУСТИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ АТМОСФЕРИ 1 при вимірюванні відносних змін температури для двох напрямків зондування, зондування для вертикального напрямку здійснюють так, щоб середні висоти зондування при вертикальному і похилому напрямках були однакові, для цього для кожного напрямку початкову фазу вимірюють в двох точках - для вертикального напрямку в точках h1 і h2, для похилого - в точках R1 і R2, так щоб h2-h1=R2-R1, при цьому відносні зміни температури атмосфери для двох напрямків обчислюють за формулою h2h1  R2R1  360 h21 360 R21  , де T Ch21 T CR21 h2 1   * Hh2   * Hh1, R 2 1   * HR 2   * HR1,  *Hh1  Hh1   д, ефекту Доплера на вимірювальну фазу хвилі, причому д обчислюється за формулою д  360 TN , Tвип де: Твип - період коливань випромінюваної звукової хвилі, N - кількість періодів в вимірювальному стробі tст.вим., T  Tвип  Тпр , Тпр - період коливань прийнятої звукової хвилі, Ch2-1 - швидкість звуку на ділянці h2-h1, CR2-1 - швидкість звуку на ділянці R2-R1. (13) 61346 де: Hh1, Hh2, HR1, HR2, - фази хвилі, яка вимірювана в точках h1, h2, R1, R2 відносно, д - помилка, яка виникає за рахунок впливу (11)  *HR2  HR2   д, UA  *HR1  HR1   д, C2  *Hh2  Hh2  д, (19) (21) 2003010113 (22) 03.01.2003 (24) 15.05.2006 (46) 15.05.2006, Бюл. № 5, 2006 р. (72) Сліпченко Микола Іванович, Дєлов Іван Акіндінович (73) ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНіКИ (56) UA 46524, 15.05.2002 SU1709263, 30.01.1992 SU 1178209, 07.02.1993 RU 2000112085, 10.04.2002 US 4222265, 16.09.1980 US 4761650, 02.08.1988 DE 739094, 24.05.1989 (57) Спосіб дистанційного виміру відносних змін температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери, що включає випромінювання в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку, його прийом, перетворення прийнятих звукових коливань в електричні, визначення швидкості звуку, визначення температури, здійснення моностатичного зондування атмосфери вертикально або під кутом до горизонту, причому прийом розсіяних атмосферними неоднорідностями акустичних хвиль здійснюють через однаковий з моменту випромінювання час для кожного напрямку, множення прийнятих коливань на коефіцієнт n, який визначають з умови одержання необхідної точності при збереженні однозначності фази, вимір початкової фази прийнятих коливань для кожного напрямку, обчислення різниці обмірюваних початкових фаз для заданих напрямків і визначення різниці швидкостей звуку з наступним визначенням відносних змін температури для двох напрямків, який відрізняється тим, що одночасно з вимірюванням фази хвилі в кожній точці здійснюють вимірювання частоти Доплера для обох напрямків зондування і враховують її при вимірюванні початкового фазового зсуву  як помилку  Д 2 3 Винахід відноситься до радіолокаційної метеорології, а саме до акустичних способів вимірювання параметрів атмосфери, і може бути використаний при складанні радіокліматичних карт і в роботах з контролю забруднення атмосфери. Відомий спосіб дистанційного виміру температури повітря за допомогою акустичного зондування [Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы, Новосибирск, изд. Наука, Сибирское отделение, 1986, С.112-118] у бістатичному режимі зондування шляхом виміру часу находження сигналу з двох близьких висот і його обмірюваній тимчасовій затримці находження сигналу для цих висот і відомій для цих висот різниці висот визначають швидкість звуку як С=(Н2-Н1)1, а потім визначають температуру повітря для цієї ділянки висот як 0 2 T =[(H2-H1)Q1] , де Н2 і H1 - прилеглі висоти;  - часовий зсув; Q - коефіцієнт. Недоліком такого способу є низька точність 0 визначення температури (нижче 1 К) за рахунок того, що виміряються безпосередньо самі часові зсуви, які мають малі абсолютні величини, що призводить до високої відносної помилки при вимірі температури, а також відносна складність через розкиданість точок випромінювання і прийому, зв'язана з використанням у ньому бістатичного режиму зондування, що вимагає рознесення місця випромінювання звуку і прийому звукових ехосигналів. Найбільш близьким за технічною суттєвістю до заявленого є спосіб дистанційного виміру температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери [патент України №46524 А, 6 МПК G01S13/95, 15.05.2002, Бюл. №5], що включає випромінювання в атмосферу пакета гармонійних коливань повітря, його прийом перетворення прийнятих звукових коливань в електричні, визначенні швидкості звуку, здійсненні моностатичного зондування атмосфери вертикально чи під кутом до обрію, причому прийом розсіяних атмосферними неоднорідностями акустичних хвиль здійснюють через однаковий з моменту випромінювання час t для кожного випромінювання, множення цих коливань на коефіцієнт n, який визначають з умови одержання необхідної точності при збереженні однозначності фази, вимір початкової фази прийнятих коливань для кожного напрямку, обчисленні різниці вимірюваних початкових фаз між двома наступними вимірами і за формулою визначають різниці швидкостей звуку з наступним визначенням відносних змін температури за часом від випромінювання до випромінюванню послідовних акустичних хвиль чи за більш тривалі інтервали часу. Недоліком такого способу є те, що в ньому не враховують вплив ефекту Допплера на вимірювальні початкові фази прийнятих звукових хвиль, що веде до помилок особливо суттєвим за величиною при використанні малого коефіцієнта множення частоти. В основу винаходу спосіб дистанційного вимірювання відносних змін температури повітря за 61346 4 допомогою акустичного зондування атмосфери поставлено задачу шляхом врахування впливу ефекту Допплера при вимірюванні початкових фаз сигналу і вимірюванні початкових фаз для кожного напрямку зондування в двох точках таким чином, щоб середня висота зондування при вертикальному напрямку була рівна середньої висоті при похилому напрямку при моно-статичному зондуванні вертикально чи під кутом до обрію, забезпечити більш високу точність способу. Ця задача вирішена таким чином. У способі дистанційного вимірювання відносних змін температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери , що полягає у випромінюванні в атмосферу пакета гармонійних коливань звуку і його прийомі, перетворенні прийнятих звукових коливань в електричні, визначенні за відомими формулами швидкості звуку, а потім визначенні температури, здійсненні моно-статичного зондування атмосфери вертикально чи під кутом до обрію, причому прийом розсіяних атмосферними неоднорідностями акустичних хвиль здійснюють через однаковий з моменту випромінювання час для кожного напрямку, що відповідає однаковій дальності прийому для кожного випромінювання, множення цих коливань на коефіцієнт n, що визначають з умови одержання необхідної точності при збереженні однозначності фази прийнятих коливань для кожного випромінювання, вимір початкової фази прийнятих коливань для кожного напрямку, обчислення різниці обмірюваних початкових фаз для заданих напрямків і за формулою визначення різниці швидкості звуку з наступним визначенням відносних змін температури для двох напрямків, згідно винаходу одночасно з вимірюванням фази хвилі в кожній точці здійснюють вимірювання частоти Допплера для обох напрямків зондування для врахування її при вимірюванні початкового фазового зсуву  як помилку д при вимірюванні відносних змін температури для двох напрямків зондування, для більш точнішого врахування висотного градієнта температури зондування для вертикального напрямку здійснюють так, щоб середні висоти зондування при вертикальному і похилому напрямкам були однакові, для цього для кожного напрямку початкову фазу вимірюють в двох точках: для вертикального напрямку в точках h1 і h2, для похилого - в точках R1 і R2, так, щоб h2-h1=R2-R1, при цьому відносні зміни температури атмосфери для двох напрямків обчислюють за формулою 360 h21 360 R21 h2h1  R2 R1   T Ch21 T CR21 , де р2-1=*Hh2-*Hh1, R2-1=*HR2-*HR1, *Hh1=*Hh1д, *Hh2=*Hh2д, *HR1=*HR1д, *HR2=*HR2д, де - Hh1, Hh2, HR1, Hh2 - фаза хвилі, яка вимірювана в точках h1, h2, R1, R2 відносно, д - помилка, яка виникає за рахунок впливу ефекту Допплера на вимірювальну фазу хвилі, 5 причому д обчислюється за формулою 360TN  д  , де Твип - період коливань виTВИП промінюваної звукової хвилі, N - число періодів в випромінюваному стробі tст.вим, Т=Твип-Тпр, Тпр період коливань прийнятої звукової хвилі, Ch2-1 - швидкість звука на ділянці h2-h1, CR2-1 - швидкість звука на ділянці R2-R1. Розглянемо більш докладно запропонований спосіб. На Фіг.1 представлені імпульси для запуску лічильника фази, які сформовані з коливань опорної (випромінювальної) частоти у вигляді вертикальних ліній, що направлені вниз, для випадку, коли ТпрТвип. На Фіг.7, 8 те саме, що й на Фіг.3, 4, але для випадку, коли Тпр>Твип. На Фіг.4 і Фіг.8 розглядується випадок, коли величина вимірювального строба фазометра менше, або дорівнює періоду биття між коливаннями випромінюваної і прийнятої частотами. На Фіг.9, 10 те саме що й на Фіг.3, 4, але для випадку, коли період биття між коливаннями випромінюваної і прийнятої частотами значно менше величини вимірювального строба. На Фіг.11, 12 те саме, що й на Фіг.7, 8, але для випадку, коли період биття між коливаннями випромінюваної і прийнятої частотами значено менше величини вимірювального строба фазометра. На Фіг.13 представлена функціональна схема пристрою, за допомогою якого можна реалізувати запропонований спосіб. На Фіг.14 представлено графік виміряних початкових фаз за період t на одній висоті без урахування ефекту Допплера (8а) і з урахуванням ефекту Допплера (8б). Вимірювання проводились на частоті 1кГц. На Фіг.15 схематично представлено зондування при двох різних кутах. В прототипі для врахування впливу висотного градієнту температури вимірюють градієнт температури на вузькому інтервалі висот і додають його величину до всієї величини висоти h, яку використовують в експерименті. Це також приводить до помилки в вимірювальної відносній величини температури для двох напрямків зондування. Цю помилку враховують при використанні запропонованого способу. Одночасно для кожного напрямку зондування при вимірюванні початкової фази коливань вимірюють частоту Допплера для врахування її при вимірювання фазового зсуву  як помилку д при вимірюванні відносних змін температури повітря для двох напрямків зондування. 61346 6 Справа в тому, що частота Допплера має вплив на вимірювальну початкову фазу сигналу як систематична помилка, і ії можна врахувати. Для пояснення звернемося до Фіг.1, 2 і Фіг.3, 4. Ha Фіг.1, 2 у вигляді імпульсів зображені коливання двох частот: коливання випромінюваної частоти звукових хвиль (1) і коливання прийнятої частоти звукових хвиль (20 для випадку, коли період прийнятої звукової хвилі Тпр менше періоду коливань випромінюваної звукової хвилі Твип. Відзначимо, що ефект Допплера починає виявлятися в момент початку приймання звукової хвилі, якщо вона розсіялась об'ємом атмосферних неоднорідностей, що рухається, тобто з цього моменту починає виявлятися ефект Допплера, який полягає у тому, що між прийнятими коливаннями звукової хвилі і випромінюваними коливаннями з кожним періодом змінюватиметься фазовий зсув (у даному випадку він зменшується) на величину Т=Твип-Тпр, фазовий зсув розглядається відносно фази випромінюваних коливань. Досягнувши нульового значення, різність фазового зсуву між Фіми коливаннями з наступного періоду має максимальне значення і процес повторюватиметься. За період вимірювального строба (tвим) ми вимірюємо середнє значення фазового зсуву, яке для випадку, коли час зміни фазового зсуву від максимального його значення і до нуля буде дорівнювати вимірювальному стробу, і складатиме макс/2. макс визначають з наступного відношення T360 Т С.ВИМ  д  N , де Т - різність між TВИП ТВИП періодом випромінюваних коливань звукової хвилі (Твип) і періодом коливань звукової хвилі, що приймаються (Тпр). Величину Тпр визначають за відомою частотою випромінюваних звукових коливань, tc.вим - строб, що вимірюється. На Фіг.3, 4, ці ж самі два коливання (F1пр і F2пр), але для випадку, коли між цими коливаннями є початковий фазовий зсув н. Як випливає з Фіг.3, 4 величина н з кожним періодом буде зменшуватися на величину T. У цьому випадку початковий фазовий зсув н під впливом ефекту Допплера за час вимірювального строба tc.вим зменшиться на величину ΤΝ, де N - число періодів у вимірювальному стробі, а середня величина вимірювання н буде занижена на величину Т360 д  N. Т Отже для того, щоб урахувати цю помилку, ми повинні до вимірювальної величини н додати величину д. Аналогічна картина має місце і для випадку, коли Тпр>Твип. Графіки, що пояснюють вплив ефекту Допплера в даному випадку, зображені на Фіг.7, 8. Як випливає з Фіг.7, 8, ефект Допплера виявляється в цьому випадку таким чином, що фазовий зсув між коливаннями Твип і тпр під впливом ефекту Допплера зростає, і за час вимірювального стробу tc вим зростає, досягаючи максимального значення н  макс, ( макс  Т360 N . TВИП 7 61346 8 Середня величина вимірюваного в даному ра1, а вихід - з блоком помножувачів частоти 3, вихід якого підключено до входу імпульсного фазометра зі початкового зсуву н є завищувана на величи4, вихід якого вихід якого підключено до ЕВМ 5, ну макс/2. виходи якої з'єднані зі входами акустичного локаОтже, ми розглянули вплив ефекту Допплера і тора 2 і з імпульсним фазометром 4, причому помврахування його впливу на вимірювальну величиножувач частоти містить перемикач, за допомогою ну менше ніж період биття tс.вимТб. якого коефіцієнт множення n дискретно може зміВ цьому разі, коли період биття буде значно нюватися від n=nмін до n=nмакс (у нашому випадку в менше величини tс.вим, картина впливу ефекту реалізованому пристрої nмін=1, а nмакс=32), вимірюДопплера на вимірювальну величину н буде вач частоти або періодів прийнятих ехо-сигналів 6. виглядати інакше. Для пояснення сказаного звервхід якого підключено до виходу акустичного локанемося до Фіг.9, 10 і Фіг.11, 12, де зображені гратора 2, а вихід - до входу ЕВМ 5. фіки, що пояснюють вплив ефекту Допплера на Пристрій працює наступним чином. За сигнавимірювальну величину н для випадку, коли лом з ЕВМ 5 акустичний локатор 2 через акустичну Тпр>Твип (Фіг.9, 10) і коли Тпр