Спосіб вимірювання анізотропії індексу заломлення атмосфери землі

Спосіб вимірювання анізотропії індексу заломлення атмосфери Землі, що включає в себе вимірювання тиску атмосфери ( Р ), температури атмосфери ( Т ) і тиску водяних парів атмосфери ( e ), обчислення на підставі обмірюваних величин ( Р ), ( Т ) і ( e ) індексу заломлення атмосфери ( N ) за формулою: 77,6 4810e , (1) N Р Т Т де: Р - тиск атмосфери в м бар, Т - температура повітря в градусах, e - тиск водяних парів атмосфери в м бар, який відрізняється тим, що при обчисленні індексу заломлення атмосфери ( N ) за формулою (1) вимірюють анізотропію температури атмосфери 2 3 90697 4 ( Р ) і тиску водяних парів ( e ) за формулою (1) розраховують значення індексу заломлення для горизонтального ( Nг ) і вертикального ( Nв ) напрямку. Винахід відноситься до радіолокаційної метеорології, а саме, до акустичних способів вимірювання параметрів атмосфери і може бути використаний під час складання радіокліматичних карт і в роботах з прогнозу зв'язку, навігації і радіолокації. Відомий спосіб вимірювання анізотропії індексу заломлення атмосфери Землі [М.П. Долуханов. Распространение радиоволн, изд. 3-е. -М: Изд-во «Связь». 1965, - 230 с.] шляхом вимірювання величини повного тиску атмосфери (Р), температури атмосфери (T ) і тиску водяних парів повітря (е), обчислення на підставі обмірюваних величин (Р), (T ) і (е) індексу заломлення атмосфери (N) за формулою (1) 77,6 4810e N Р , (1) Т Т де Р - повний тиск атмосфери в м бар, Т - температура повітря в градусах, е - тиск водяних парів повітря в м бар. Недоліком цього способу є те, що в ньому не враховується встановлений новий ефект в атмосфері Землі [Бондаренко М.Ф., Слипченко Н.И., Делов И.А., Леонидов А.В. Результаты измерений анизотропии температуры атмосферы в приземном слое Земли контактным способом/ «Прикладная радиоэлектроника». - 2005. Том 4. №4. - Харьков: ХНУРЭ. - С. 383 - 393] ефект анізотропії молекулярних процесів, відповідно до якого хаотична швидкість і довжина вільного пробігу молекул, а отже, температура і щільність атмосфери, анізотропні. Величини цих параметрів істотно залежать від кута місця і різні для вертикального та горизонтального напрямків. Причому, анізотропія їх істотно змінюються з висотою і погодними умовами. Цей спосіб взято нами як прототип. В основу винаходу способу вимірювання анізотропії індексу заломлення атмосфери Землі поставлена задача підвищити точність вимірювання індексу заломлення атмосфери з урахуванням встановленого нового ефекту в атмосфері Землі ефекту анізотропії молекулярних процесів, і тим самим підвищити точність і вірогідність прогнозу радіохвиль для служб зв'язку, навігації і радіолокації за рахунок вимірювання анізотропії індексу заломлення атмосфери. Ця задача вирішена таким чином. У способі вимірювання анізотропії індексу заломлення атмосфери Землі, що включає в себе вимірювання тиску атмосфери (Р), температури атмосфери (T ) і тиску водяних парів повітря (е), обчислення на підставі обмірюваних величин (Р), (Т ) і (е) індексу заломлення атмосфери (N) за формулою 77,6 4810e N Р Т Т де Р - повний тиск атмосфери в м бар, Т - температура повітря в градусах, е - тиск водяних парів повітря в м бар, відповідно до винаходу при обчисленні індексу заломлення (N) за формулою (1) вимірюють анізотропію температури повітря (T ) у вертикальній площині шляхом вимірювання анізотропії фази ( ) акустичного ехо-сигналу, отриманої при одночасному імпульсному акустичному зондуванні атмосфери в двох і більш різних за кутом місця напрямках ( ), причому анізотропію фази акустичного ехо-сигналу визначають на підставі отриманої залежності фази акустичного сигналу f ( ) як різницю значень ( ) від кута місця ( ), ( в г ) , де г - значення фази, знайдене при 0, f ( ) для кутів екстраполяції залежності а в - значення фази, знайдене для кутів потім для знайдених значень г і (2) визначають різницю T T г Т в: в =90°, за формулою температур 2 R 1 1 , (2) T 20 T в 20 T г де R - дальність до обсягу повітря, що відбиг в ває, Т - період коливань звуку; в - фаза акустичного ехо-сигналу, отримана для вертикального напрямку, г - фаза акустичного ехо-сигналу, отримана для горизонтального напрямку, Т г - температура для горизонтального напрямку, Т в - температура для вертикального напрямку, приймаючи при цьому значення (Т в) рівним значенню обмірюваної в цей час на досліджуваних висотах середньої температури (Т ср), потім знаходять значення температури для горизонтальноТ го напрямку як Т г Т ср і вертикального 2 Т як Т в Т ср . Після цього для отриманих у 2 такий спосіб значень (Т в) і (Т г) та обмірюваних на досліджуваних висотах значень повного атмосферного тиску (Р) і тиску водяних парів (е) за формулою (1) розраховують значення індексу заломлення для горизонтального (Nг) і вертикального (Nв) напрямку. Розглянемо спосіб більш докладно. На Фіг.1 подана функціональна схема пристрою для вимірювання фази акустичного ехосигналу в трьох напрямках (ця схема наведена в 5 90697 патенті України №76538 від 15.08.2006 авторів Дєлова Івана Акіндиновича і Сліпченка Миколи Івановича). На Фіг.2 подана часова залежність фази акустичного ехо-сигналу, отримана за допомогою пристрою, поданого на Фіг.1 [Бондаренко М.Ф., Слипченко Н.И., Делов И.А., Леонидов А.В. Результаты измерений анизотропии температуры атмосферы в приземном слое Земли контактным способом/прикладная радиоэлектроника». 2005. Том 4. № 4 - Харьков: ХНУРЭ. - С. 383 - 393]. Тут - фаза, обмірювана для вертикального напрямку, + - фаза, обмірювана для кутів =22 у західному напрямку і - фаза, обмірювана для кутів =22 у східному напрямку. Вимірювання проводилися 20.03.2004 р. при похмурій погоді після нічного дощу, при помірному вітрі і при температурі на рівні 1,5м ~5 С. Висота зондування ~85м. На Фіг.3 наведена часова залежність індексу заломлення (N) для вертикального напрямку (+) і горизонтального ( ), отримана для даних Фіг.2 за допомогою пропонованого способу вимірювання анізотропії індексу заломлення (N). Ці результати були отримані в такий спосіб. З графіка Фіг.2 для кожної точки на осі часу знаходилася різниця обмірюваних одночасно значень фази ( ) для двох кутів ( =0 і =22 для західного напрямку, де - кут між вертикаллю і напрямком променя зондування) як 22 0. Приймаючи залежність f ( ) лінійною, потім за знайденим значенням 22 визначалася різни ця фаз для вертикального напрямку ( нтального ( г) як в г в г в) і горизо 90  22  . 22 Потім за знайденою анізотропією фази ( ) визначалася за формулою (2) анізотропія температури T г в Т г Т в, приймаючи у формулі (2) значення Т в= Т ср, (де Т ср – середнє значення температури, обмірюваної на досліджуваній висоті в період вимірювань). Після цього визначалося значення температури для вертикального і горизонтального напрямку як Т Т . Потім були розТ в Т ср і Т г Т ср 2 2 раховані значення N для вертикального і горизонтального напрямку за формулою (1), прийнявши значення Р=1013,2м бар, а тиск водяних парів був прийнятий рівним е=20м бар. Як випливає з Фіг.3, отримані таким чином індекси заломлення (N) для вертикального (Nв) і горизонтального (Nг) напрямків значно відрізняються. Суть способу. За допомогою акустичного локатора, що працює в імпульсному моностатичному режимі, проводять вимірювання фази акустичних ехо-сигналів у двох або більше різних за кутом місця напрямках ( ). Зміни кута зондування ( ) відбуваються по черзі через короткі проміжки часу (2–3 хвилини) шляхом зміни напрямку діаграми спрямованості 6 приймально-передавальної антени. Вимірювання фази акустичного сигналу проводиться за допомогою імпульсного фазометра протягом заданого інтервалу часу. У нашому конкретному випадку, поданому на Фіг.3, вимірювання фази ехо-сигналу проводилися 20.03.2004 протягом часу з 1035 до 1525. Вимірювання проводилися при трьох кутах (де - кут між вертикаллю і напрямком зондування) у вертикальному і двох протилежних за азимутом напрямках і при куті =22°. Реєстрація фази проводилася при однаковій дальності RН, фіксація якої здійснювалася шляхом стробування приймача через однакові часові інтервали після випромінювання акустичного імпульсу. У нашому прикладі на Фіг.2 дальність складала ~85м. На підставі отриманої в такий спосіб часової залежності фази акустичного ехо-сигналу для трьох напрямків визначалася потім анізотропія фази акустичного ехо-сигналу для кожної точки поданого графіка. Оскільки фаза сигналу для двох протилежних за азимутом напрямках виявилася близькою, для оцінки анізотропії фази використовувався вертикальний напрямок і один під кутом =22° від вертикального в заданому напрямку. Оцінка анізотропії проводилася в такий спосіб. З графіка Фіг.2 для кожної точки на осі часу знаходилася різниця обмірюваних одночасно значень фази ( ) для двох кутів ( =0 і =22 ) як 0. 22 Приймаючи залежність f( ) лінійної, потім за знайденим значенням визначалася різниця фаз для вертикального напрямку ( в) і горизонтального ( г) як 90 . Таким чином, подані 22 на Фіг.3 розходження фаз для вертикального зондування і під кутом =22 потрібно збільшити у 90 разів. У цьому випадку одержимо розхоn 22 дження фаз для вертикального і горизонтального напрямку, тобто отримаємо анізотропію a в г. Потім, для отриманої в такий спосіб анізотропії , тобто для знайденого розходження фаз між фазою для вертикального напрямку і горизонтального, користуючись формулою (2), розраховувалися відповідні їм розходження температур ( T ), приймаючи значення Т рівне Т ср, де Т ср - середнє значення температури, обмірюване на досліджуваній висоті в період вимірювань. Після цього знаходилися значення температури для горизонТ тального напрямку Т г як Т г Т ср і верти2 Т кального Т в Т в Т ср . 2 Після цього для отриманих у такий спосіб Т в і Т г, та обмірюваних значень повного тиску атмосфери (Р) і тиску водяних парів (е) за формулою (1) розраховувалися значення індексу заломлення (N) для вертикального (Nв) і горизонтального (Nг) нав г в г 22 7 прямків. У даному випадку величина Р приймалася рівною 1013,2м бар, а величина е - 20м бар. Результати виконаної в такий спосіб оцінки величин Nв і Nг наведені на Фіг.3. Розглянемо пристрій для реалізації запропонованого способу, функціональна схема якого подана на Фіг.1. Він містить акустичну антену -1, акустичний локатор - 2, вхід якого приєднаний до акустичної антени 1, а вихід - до входу блока помножувачів - 3, вихід якого підключений до входу імпульсного фазометра - 4, вихід якого приєднаний до ЕОМ - 5, виходи якої приєднані до входів акустичного локатора 2, імпульсного фазометра 4, причому помножувач частоти 3 має перемикач, за допомогою якого коефіцієнт множення п може дискретно змінюватися від n=nmin до n=nmах (у нашому реалізованому пристрої n змінюється від 1 до 32), вимірник частоти або періодів прийнятих ехо-сигналів - 6, вхід якого приєднаний до виходу акустичного локатора 2, а вихід - до входу ЕОМ, комутатор фази випромінюваних акустичних хвиль - 7, вхід якого приєднаний до виходу ЕОМ, а вихід - до акустичного локатора 2. Розглянемо роботу пристрою. За командою з ЕОМ 5 акустичний локатор 2 через акустичну антену 1 випромінює пакет гармонійних акустичних хвиль в атмосферу з початковою фазою н1 , заданий комутатором фази 7. Після чого акустична антена 1 переключається на прийом, і ведеться прийом акустичних ехосигналів, розсіяних атмосферними неодноріднос 90697 8 тями. В акустичному локаторі 2 прийняті звукові коливання перетворяться в електричні коливання, а потім надходять у блок помножувачів 3, де вони збільшуються у задану кількість разів (n). Одночасно до блока помножувачів 3 з акустичного локатора 2 надходять електричні коливання, з яких формуються в акустичному локаторі 2 випромінювані звукові коливання, і збільшуються у таку саму кількість разів (n), що і прийняті коливання. З блока помножувачів 3 коливання надходять у фазометр 4. У фазометрі 4 вимірюється різниця початкових фаз між прийнятими коливаннями і випромінюваними. Після чого з фазометра 4 обмірювані в такий спосіб дані надходять на ЕОМ 5, де за заданим алгоритмом обчислюються всі необхідні дані. Більш докладний опис роботи пристрою подано в [Дєлов І.А., Сліпченко M.I. Спосіб дистанційного вимірювання відносних змін температури повітря за допомогою акустичного зондування атмосфери. Патент України №46521 А від 15.05.2002p.]. Як випливає з вищесказаного і Фіг.3, пропонований спосіб дозволяє підвищити точність і вірогідність вимірюваного індексу заломлення атмосфери з урахуванням нового ефекту, встановленого в атмосфері землі, шляхом вимірювання анізотропії фази акустичного ехо-сигналу. Це, в свою чергу, дозволяє підвищити точність і вірогідність прогнозу радіохвиль для служб зв'язку, навігації і радіолокації. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 90697 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601