Спосіб дистанційного виміру профілів концентрації багатокомпонентної газоподібної домішки в атмосферному шарі при акустичному зондуванні

Спосіб дистанційного виміру профілів концентрації багатокомпонентної газоподібної домішки в атмосферному пограничному шарі при акустичному зондуванні, що включає синхронне випромінювання акустичних хвиль двох кратних частот моностатичним імпульсним акустичним локатором, прийом акустичних хвиль, що відбиваються флуктуаціями температури повітря в шарі зондування, реєстрацію різниць фаз акустичних хвиль двох кратних частот після цілочислового перетворення по нижчій частоті і реєстрацію профілів швидкості звуку на тих же висотних рівнях, який відрізняється тим, що здійснюють синхронне випромінювання акустичних хвиль третьої кратної частоти, їх прийом і подвоєння каналів реєстрації різниць фаз, при якому в кожному із двох паралельно з'єднаних каналів реєстрації фазових зсувів двох прийнятих сигналів, що відповідають прийнятим акустичним хвилям вищої й однієї з нижчих частот, здійснюють цілочислове перетворення по нижчій частоті і вимірюють отриману різницю фаз, після чого висотний або похилий профіль концентрації суми компонент газоподібної домішки визначають за значеннями змін різниці фаз між шарами зондування, що обмірювана в одному з каналів, швидкості звуку в шарі зондування, відношенню змін між шарами двох різниць фаз сигналів, що обмірювані у двох каналах реєстрації, довжини акустичного імпульсу і трьох зондувальних частот для концентрації домішки в шарі зондування, за формулою: Галуззю застосування винаходу є радіометеорологія, радіотехнічні способи виміру параметрів атмосфери з застосуванням акустичних хвиль, призначені для радіометеорологічного контролю газоподібних забруднень в атмосферному пограничному шарі, що створюються екологічно забрудненими територіями. Дослідження розподілу атмосферних забруднень над промислове розвиненими регіонами провадиться на основі оцінювання турбулентної дифузії домішки, у той час коли для прямих дистанційних вимірів концентрації багатокомпонентних атмосферних домішок, включаючи вологість повітря і газоподібні забруднення, застосовуються 2 fn (a ji Q 2 fm, n, m j, i, k, 0, ba jk ) f 2aik f 2aik (1 b) j j , a jiaikaik (1 b) b ij , де kj f j - вища зондувальна частота акустичних хвиль; fi, fk - більш низькі зондувальні частоти акустичних хвиль; ij, kj - зміни між шарами різниць фаз між вищою та кожною з нижчих частот акустичних хвиль, що реєструються; c - швидкість звуку в шарі зондування товщини Z , яка дорівнює довжині акустичного імпульсу; пр , 0 - релаксаційні сили домішки та чистого C2 anm 0 / пр (13) причому c ij 2 f j ZQ 75973 100% (11) x (19) UA повітря. 3 75973 4 методи лидарного зондування, у яких розсіювачем ним у ній способом концентрацію забруднення, є сама домішка. Застосування для цієї мети метозалежність від якої релаксаційної частоти і вимідів акустичного зондування, у яких відбивачем є рюваної різниці фаз між радіосигналами невідома. турбулентні флуктуації температури повітря, стаІнший близький аналог - спосіб виміру конценновить інтерес у зв'язку з простотою і високою трації водяної пари в атмосфері (атмосферної оперативністю содарів при профільному зондувологості) тричастотним акустичним зондуванням, ванні інших атмосферних величин. На відміну від описаний і експериментальне апробований у статметодів лидарного зондування, що вимагають тоті [Mousley Т.J., Asimakopoulos D.N.. Cole R.S., чного настроювання на частоти резонансного погCaughey S.J. Mesurement of humidity using линання світла молекулами кожного компонента multifrequency atmospheric acoustic sounding. газоподібної домішки, включаючи водяну пару, для Atmosph. Environment, 1982, v.16, №6, p.1501виміру його концентрації, акустичне зондування, 1506]. Даний спосіб, погрішність якого ретельно пропоноване для дослідження не тільки вологості проаналізована в [монографії Н.П. Красненко повітря, але і багатокомпонентної домішки розро"Акустическое зондирование атмосферного пограблювальним способом, не вимагає подібного часничного слоя", Томск, Изд. СО РАН, ин-т оптичестотного настроювання і забезпечує вимір конценткого мониторинга, 2001], заснований на випромірації суми компонент домішки за умовою її нюванні акустичних хвиль трьох довільних частот і сталості в шарі зондування. вимірі амплітуд прийнятих сигналів, після чого Пропонований спосіб заснований на дисперсії провадиться відновлення атмосферної вологості швидкості звуку у вологому забрудненому повітрі за значеннями коефіцієнта молекулярного погли[Л. Бергман. Ультразвук и его применение в науке нання звуку, які обчислюються при розв'язанні и технике. М.: Изд. ИЛ, 1957], застосування якої в системи трьох рівнянь акустичної локації з урахудослідженнях атмосферного пограничного шару ванням існування класичного і турбулентного погдосить розроблено для виміру вологості повітря. линання звуку і за умовою, що температура повітТому аналогами і прототипом винаходу є найбільш ря, яка входить у рівняння акустичної локації як близькі з багаточастотних способів виміру систеневідомий параметр, вимірюється іншим спосомами акустичного і радіоакустичного зондування бом. Недоліком даного аналога в застосуванні до концентрації водяних пар в атмосфері, які обмірконтролю забруднень у повітрі є відсутність можковуються як домішка до сухого повітря. Пропоноливості визначити таким способом концентрацію ваний у даному винаході спосіб виміру концентране тільки водяних пар, але й інших домішок, від ції газоподібної домішки відрізняється вибором якої невідомо залежить коефіцієнт молекулярного інформаційної величини і порядком виконання поглинання звуку. вимірів, для чого потрібно подвоєння каналу реПрототипом пропонованого в даному винаході єстрації даних. способу є спосіб виміру концентрації водяної пари Близьким аналогом є спосіб виміру концентв атмосфері за допомогою комплексованої систерації водяних пар в атмосферному пограничному ми радіоакустичного зондування, у складі якої шарі, запропонований у винаході авторів С.И. Бабдвохчастотний акустичний локатор використовукина й Е.А. Васильченко "Радиоакустический споється як зондувальний [теорія і функціонування соб определения влажности воздуха" [а.с. СРСР системи описані в статті авторів С.И. Бабкина, Г.В. №1670641, МКИ G01S13/95, опубл. Б. №30 Груши, И.А. Делова, Е.Г. Прошкина "Оценка при1991р.]. У цьому винаході був запропонований менимости метода измерения влажности атмосспосіб дистанційного виміру концентрації водяної ферного воздуха акустическим зондированием по пари в повітрі за допомогою двохчастотної систесдвигу фаз", Всеукр. межвед. науч. - техн. сб. Рами радіоакустичного зондування, що відрізняється диотехника, Харьков, 2001, вып. 120, C. 50-56]. від інших способів виміру цієї величини тією ж сисВласне кажучи, прототип відрізняється від другого темою тим, що після вертикального випромінюаналога тим, що випромінюються акустичні хвилі вання і прийому радіохвиль двох кратних частот двох кратних частот у вертикальному напрямку і для підвищення точності виміру і зменшення часу реєструються не амплітуди прийнятих акустичних зондування після виділення сигналів з доплеровсигналів, а різниці їх фаз, а температура повітря ськими зсувами частот за допомогою цілочисловоодночасно вимірюється радіоакустичним зондуго перетворювача частоти здійснюється перетвованням. Від першого аналога прототип відрізнярення сигналу по нижчій частоті і вимірюється ється тим, що для відновлення атмосферної волорізниця фаз між сигналами з цими доплеровськигості по емпіричній залежності від неї ми зсувами, яка за умовою дифракції Брегга, що релаксаційної частоти застосовуються не радіосизабезпечує максимум прийнятого сигналу, дорівгнали, а акустичні сигнали - після виділення принює різниці фаз акустичних хвиль цих частот на йнятих акустичних сигналів здійснюється перетвовисоті відбиття.. Після цього молярна концентрарення по нижчій частоті, після чого вимірюється ція водяних пар у шарі зондування обчислюється безпосередньо різниця фаз між акустичними сигза запропонованими формулами на основі відомої налами. Прототип ближче до пропонованого в залежності цієї величини від частоти молекулярної даному винаході способу, ніж аналоги, через те, релаксації у повітрі і значень швидкості звуку, що що поєднує застосування акустичного зондування вимірюються тією ж системою. з виміром концентрації водяної пари по різниці Недоліком даного аналога в застосуванні до фаз прийнятих сигналів, що виключає вплив ряду виміру концентрації будь-якої іншої газоподібної невідомих величин (класичного і турбулентного домішки в атмосфері, якщо вона є в наявності, є поглинання звуку). відсутність можливості вимірювати запропонова 5 75973 6 Недолік прототипу в застосуванні до контролю нення, у той час як релаксаційна сила в тім же забруднень у повітрі - відсутність можливості виобсязі повітря при відомій його температурі залезначити таким способом концентрацію якої-небудь жить тільки від концентрації забруднення. Таким іншої домішки, від якої невідомо залежить різниця чином, якщо температура атмосферного повітря в фаз між прийнятими акустичними сигналами. забрудненому обсязі обмірювана іншим способом, Технічною задачею даного винаходу є прямий то, на відміну від релаксаційної частоти, що є індистанційний вимір вертикальних і похилих профіформаційним параметром про концентрацію водялів концентрації суми компонент забруднюючої них пар у чистому повітрі, релаксаційна сила, що газоподібної домішки в атмосферному пограничвпливає на поширення акустичних хвиль, є в споному шарі, що відрізняється високою оперативніссобі, що тут викладається, основним інформаційтю, із застосуванням акустичного локатора, що ним параметром про концентрацію газоподібного раніше не робилося. забруднення (можливо, багатокомпонентного). Дана мета досягається вертикальним чи похиДля визначення концентрації суми компонент долим зондуванням атмосфери з застосуванням мішки пропонується застосувати експериментальтричастотного моностатичного імпульсного акусне обгрунтований принцип аддітивності для релактичного локатора з двоканальним пристроєм ресаційних сил суміші газів, відповідно до якого: єстрації зсувів фаз, за допомогою якого після син100% x пр 100% х 0 , (1) хронного випромінювання і прийому відбитих де х - концентрація газоподібного забруднення пульсаціями температури повітря акустичних (в об'ємних %); хвиль трьох кратних частот виміряють: різницю пр , 0 - релаксаційні сили домішки і чистого фаз між сигналами нижчої і вищої частоти після перетворення сигналу по нижчій частоті в першоповітря; му каналі, що реєструє, різницю фаз між сигнала- релаксаційна сила забрудненого повітря. ми проміжної (між нижчою і вищою) частоти і виРелаксаційна сила може бути зв'язана з різщої частоти після перетворення сигналу по більш ницею фаз акустичних хвиль двох кратних частот низькій частоті в другому каналі, що реєструє. Поfi, fj, вимірюваною при моностатичному акустичнотім за допомогою вимірювального алгоритму, що му зондуванні атмосферного повітря після синхспирається на ці виміри двох різниць фаз, виклюронного випромінювання в деякому напрямку акучають релаксаційну частоту, що в отриманому стичних хвиль двох кратних частот, їх прийому, автором на основі відомих співвідношень рівнянні цілочислового перетворення прийнятих сигналів визначення концентрації домішки є допоміжним по нижчій частоті і виміру різниці фаз сигналів параметром, і обчислюють шукану величину. двох частот. Цілочислове перетворення частоти На Фіг.1 зображена схема прямого виміру модозволяє, як і в прототипі, максимально виділити ностатичним акустичним зондуванням концентраефект дисперсії швидкості звуку. Синхронне виції суми компонент газоподібної домішки в шарі промінювання акустичних хвиль виключає вплив повітря товщини Z на відстані Z від випромінюшвидкості вітру на різницю швидкостей звуку двох вача. частот і вимірювану таким способом різницю фаз На Фіг.2 зображена структурна схема тричасакустичних хвиль, яка може бути надана у виді: тотного імпульсного акустичного локатора з двохci j fi f j канальним пристроєм реєстрації різниць фаз акус, 4 Zf (2) ij 4 Z ci c j тичних хвиль для прямого виміру профілів c2 концентрації суми компонент газоподібної домішки де f=fj - вища з зондувальних частот; в атмосферному пограничному шарі. ci c j - різниця та середнє c i j ci c j і c Суть винаходу полягає в наступному. При проходженні акустичних хвиль двох різних частот геометричне швидкостей акустичних хвиль з часчерез забруднений обсяг повітря на відстані Z від тотами fi, fj; двохчастотного акустичного випромінювача поZ - відстань до шару, що зондується. винна з'явитися деяка різниця фаз акустичних У формулі для різниці акустичних фаз (2) врахвиль ij i j , де i і j - різниця фаз акусховане подвійне проходження акустичними хвилями відстані до шару, що зондується, малість розтичних хвиль частот fi, fj, що набігає на відстані Z ходження сi й сj і зневажається розходженням між випромінюючою і приймальною антенами. Дадоплеровських зсувів двох частот відбитих акустине явище засноване на ефекті дисперсії швидкості чних хвиль, тобто погрішністю порядку 2V/С, де V звуку в суміші газів (вологе забруднене повітря). проекція швидкості вітру на напрямок зондування, Дисперсію швидкості звуку у повітрі утворює молещо може бути усунута при доплеровських вимірах кулярна релаксація, яка характеризується двома швидкості вітру тим же содаром. величинами - частотою релаксації fR і релаксаційДля висновку робочої формули способу різниc2 c2 ця швидкостей звуку двох частот у формулі (2) 0 , де c , c ною силою 0 - швидкості повинна бути зв'язана з релаксаційною силою . c2 0 На підставі формули для швидкості звуку з урахузвуку в даному середовищі при частоті звуку f>>fR, ванням його дисперсії: f