Радіоакустичний спосіб визначення вологості атмосферного повітря

Реферат: Винахід належить до радіолокаційної метеорології, а саме до радіоакустичних способів вимірювання параметрів атмосфери, і може бути використаний у проектних роботах і на будівництві об'єктів вітроенергетики. Радіоакустичний спосіб визначення вологості атмосферного повітря полягає у тому, що одночасно випромінюють вертикально угору перший та другий когерентні акустичні імпульси з різними і кратними одне одному довжинами хвиль синусоїдального заповнення, опромінюють акустичні імпульси першим та другим електромагнітними коливаннями з довжинами хвиль удвоє більшими довжин хвиль синусоїдального заповнення відповідно першого та другого акустичних імпульсів, приймають перший та другий відбиті від кожного з акустичних імпульсів електромагнітні коливання. Послідовно перемножують вихідні сигнали першого та другого радіоприймачів з сигналами першого та другого генераторів опорних сигналів відповідно, опорні сигнали для кореляційного прийому формують у відповідності до функцій розсіювання. Порівнюють поміж собою амплітуди вихідних сигналів кожного з кореляторів та визначають максимальний кожного із них, по максимальному значенню амплітуди вихідних сигналів кожного з кореляторів визначають параметри розстроювання умови Брегга q1 та q2, параметри q1 та q2 використовують для розрахунків швидкостей звуку за значеннями різниці, поміж яких обчислюють парціальний тиск водяної пари. Винахід дає можливість отримати підвищену точність визначення вологості за UA 105255 C2 (12) UA 105255 C2 рахунок виключення впливу фазової нестабільності апаратури на результати двочастотного радіоакустичного зондування. UA 105255 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіолокаційної метеорології, а саме до радіоакустичних способів вимірювання метеорологічних величин атмосфери, і може бути використаний при складанні короткострокових прогнозів погоди, при метеорологічному забезпеченні екологічного моніторингу атмосфери та безпеки зльоту і посадки літальних апаратів різного призначення, при складанні радіокліматичних карт, досліджень з фізики атмосфери, зокрема туманів різного походження і таке інше. Відомий спосіб дистанційного визначення вологості атмосферного повітря (М.Ю. Орлов, Б.С. Юрчак. Способ радиоакустического зондирования атмосферы, а.с. СССР № 671535 (МКИ G01S 13/95). Опубл. 23.11.84. Бюл. № 43), згідно з яким у атмосферу випромінюють акустичний імпульс з синусоїдальним заповненням довжиною хвилі λα, опромінюють акустичний імпульс, який розповсюджується, за допомогою радіолокаційної станції електромагнітним випроміненням довжиною хвилі 2λα, приймають відбитий від акустичного імпульсу радіолокаційний сигнал, вимірюють потужність відбитого радіолокаційного сигналу у кожній точці траси, за якою знаходять коефіцієнт послаблення звуку у кожній точці, визначають профіль температури по висоті і по отриманих значеннях температури та коефіцієнта послаблення звуку знаходять значення вологості, які розшукуються, для кожної точки траси; профіль температури визначають по швидкості розповсюдження акустичного імпульсу шляхом вимірювання допплерівського зсуву частот відбитого радіолокаційного сигналу. Недоліком цього способу є недостатня точність вимірювання вологості повітря через наявність горизонтального вітру та атмосферної турбулентності в реальних умовах зондування. Вітер здійснює горизонтальне перенесення акустичного імпульсу; останній належить до діаграм скерованості антен радіоканалу, внаслідок чого потужність радіосигналів, що приймаються, зменшується без впливу молекулярного поглинання енергії акустичного імпульсу, яке є основою даного способу (Е.Г. Прошкин, В.М. Карташов, Бабкин С.И., Волох А.В. Современное состояние, проблемы и перспективы систем радиоакустического зондирования. Радиотехника: Всеукр. меж вед. научн. - техн. сб. Вып. 150, 2007. С. 5-16.). Подібний ефект спостерігається і через розсіювання акустичних хвиль на температурно-вітрових неоднорідностях, яке не має ніякого відношення до поглинання енергії акустичного імпульсу за рахунок вологості повітря. Найближчим за технічною суттю до заявленого є радіоакустичний спосіб визначення вологості повітря (Бабкин СИ., Васильченко Е.А. Радиоакустический способ определения влажности воздуха, а.с. СССР № 1670641 (МКИ G01S 13/95), опубл. 15.08.91, бюл. № 30), згідно з яким одночасно випромінюють вертикально угору перший та другий когерентні акустичні імпульси з різними і кратними одне одному довжинами хвиль синусоїдального заповнення, опромінюють акустичні імпульси першим та другим електромагнітними коливаннями з довжинами хвиль удвоє більшими довжин хвиль синусоїдального заповнення відповідно першого та другого акустичних імпульсів, приймають перший та другий відбиті від акустичних імпульсів електромагнітні коливання, виділяють перший та другий сигнали з частотою допплерівського зсуву відбитих від акустичних імпульсів електромагнітних коливань і вимірюють частоти допплерівських зсувів, по значенням яких обчислюють швидкості руху акустичних імпульсів з наступним визначенням вологості повітря, після виділення сигналів з частотою допплерівського зсуву першого та другого відбитих від акустичних імпульсів електромагнітних коливань додатково перетворюють по частоті один з сигналів до частоти, рівній частоті другого сигналу, вимірюють зсув фаз поміж сформованими таким чином сигналами, після чого визначення вологості повітря здійснюють по отриманому зсуву фаз. Недоліком такого способу дистанційного визначення вологості повітря радіоакустичним зондуванням атмосфери є недостатня точність визначення вологості атмосферного повітря через низьку точність фазових вимірювань, обумовлену високою фазовою нестабільністю апаратури при її реалізації в НВЧ діапазоні радіохвиль. В основу винаходу радіоакустичного способу визначення вологості атмосферного повітря поставлена задача підвищення точності визначення вологості, вільної від фазової нестабільності апаратури та зовнішніх умов, шляхом кореляційної обробки відбитих радіолокаційних сигналів під час синхронного радіоакустичного зондування атмосфери на двох частотах. Ця задача вирішена таким чином. У радіоакустичному способі визначення вологості атмосферного повітря, який полягає у тому, що одночасно випромінюють вертикально угору перший та другий когерентні акустичні імпульси з різними і кратними одне одному довжинами хвиль синусоїдального заповнення, опромінюють акустичні імпульси першим та другим електромагнітними коливаннями з довжинами хвиль удвоє більшими довжин хвиль синусоїдального заповнення відповідно першого та другого акустичних імпульсів, приймають перший та другий відбиті від кожного з акустичних імпульсів електромагнітні коливання, згідно з 1 UA 105255 C2 5 10 15 20 25 винаходом, послідовно перемножують вихідні сигнали першого та другого радіоприймачів з сигналами першого та другого генераторів опорних сигналів відповідно, опорні сигнали для кореляційного прийому формують у відповідності до функцій розсіювання, порівнюють поміж собою амплітуди вихідних сигналів кожного з кореляторів та визначають максимальний кожного із них, по максимальному значенню амплітуди вихідних сигналів кожного з кореляторів визначають параметри розстроювання умови Брега q1, та q2, параметри q1 та q2 використовують для розрахунків швидкостей звуку двох частот за значенням різниці, поміж яких обчислюють парціальний тиск водяної пари. На кресленні подано структурну схему пристрою для реалізації пропонованого способу. Розглянемо більш докладно пропонований спосіб. Відомо, що під час розповсюдження звукових хвиль у атмосфері спостерігається не тільки послаблення їх енергії, а ще й явище дисперсії швидкості звуку: залежність швидкості звуку від вологості повітря (Ультразвук. Маленькая энциклопедия/ Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Советская энциклопедия. - 1979. - С. 120-121). Дисперсія швидкості звуку з'являється у випадку, коли дія акустичної хвилі призводить до нерівноважного стану середовища, збуджуючи внутрішні ступені свободи газів, які входять до складу атмосфери. Перерозподіл енергії між поступальними і внутрішніми ступенями свободи здійснюється за деякий проміжок часу τ, який зветься часом релаксації. У газах час релаксації залежить від температури газу, його тиску та наявності домішок інших газів. У атмосферному повітрі роль такої домішки грає водяна пара. Частота релаксації Fp≈1/τ вологого 1,3 4 -1 повітря зв'язана з вологістю виразом Fp=kh (1), де k=3,06·10 с , h=e/P - відношення парціального тиску водяної пари е до повного тиску повітря Ρ, у молярних відсотках. Парціальний тиск водяної пари є одна з кількісних характеристик вологості атмосферного повітря, від якої можна переходити до інших характеристик вологості (Хргиан А.Х. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 647 с.) Частоту релаксації, а, відповідно, і вологість повітря, можна знайти з виразу, який пов'язує швидкість звуку довільної частоти F у газі з  C 2  C0 2  C  2  C0 2  1    2 2 2 релаксаційними процесами та має вигляд , де С0 - швидкість звуку при дуже малих частотах, С∞ - швидкість звуку при дуже великих частотах, ω=2πF. У атмосфері при вертикальному розповсюдженні звуку його швидкість може бути обчислена згідно з виразом Ca  B  W , (2) де 30 35 40  B  C0 2  C  2  C0 2 2 2 2 2 , а W - вертикальна складова швидкості вітру. Тобто, швидкість звуку у атмосфері залежить від температури повітря (згідно з формулою Лапласа) і від вертикального вітру (Каллистратова М.А., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. - М.:Наука, 1985, с. 119). Для визначення частоти релаксації звуку при його розповсюдженні у реальній атмосфері, а, відповідно, і вологості повітря, необхідно виключити вплив просторово-часової неоднорідності температури повітря та швидкості вітру на результат виміру вологості повітря. З цією метою можна виміряти швидкість звуку двох різних частот, які одночасно розповсюджуються у атмосфері вертикально угору; припускаючи, що дія температури повітря та радіальної (вздовж радіопроменя) швидкості вітру однакова на швидкість звуку двох різних частот, а надалі виділити різницю швидкостей звуку, обумовлену вологістю повітря (Бабкин С.И., Васильченко Е.А. Радиоакустический способ определения влажности воздуха. А. С. № 1670641 (СССР), опубл. 15.08.91, бюл. № 30). Записавши рівняння (2) для двох частот звуку F1 і F2, до того ж, C  45  1     2 C  2  C 0 2 F2 2  F12  2C Fp 2 C C1  C 2 2 F11), наприклад, k=2. З виходу перетворювача звукової частоти 9 електричні коливання подвоєної частоти надходять до передавача акустичного 11 другого каналу і за допомогою антени акустичної 12 другого каналу також випромінюються у тому ж напрямку. Відбиті від обох акустичних імпульсів відповідні електромагнітні коливання приймаються антенами радіоприймачів 13 та 17, перетворюються ними у електричні коливання, поступають на входи радіоприймачів 14 та 18, де підсилюються і з виходів приймачів 14 та 18 подаються до перших входів кореляторів 15 та 19. На другі входи кореляторів 15 та 19 подаються сигнали з генераторів опорних сигналів 16 та 20, які генеруються останніми по командам персонального комп'ютера 22 згідно з функціями розсіювання для можливих значень 4 UA 105255 C2 5 параметра розстроювання умови Брегга q1 та q2 для конкретної метеорологічної ситуації на кожному каналі. Напруги сигналів, отриманих в результаті перемноження прийнятих та опорних сигналів у кореляторах 15 і 19 відповідних каналів, подаються на входи компараторів 21 та 23, де для кожного каналу провадиться порівняння перемножених сигналів поміж собою. Компаратори 21 та 23 обирають максимальні сигнали перемноження у кожному каналі та подають на другі входи комп'ютера 22 імпульси, за якими комп'ютер 22 визначає номери 1 10 15 20 1 1 2 2 2 вихідної напруги генераторів опорних сигналів 16 та 20 зі списку N1 ,N2 ,...Nn та N1 ,N2 ,...Nn , сигнали яких при перемноженні з вихідними сигналами радіоприймачів 14 та 18 видають на виходах кореляторів 15 та 19 максимальні сигнали, і, відповідно, значення параметрів розстроювання умови Брегга qi та q2. Комп'ютер 22 по значеннях параметрів q1 та q2 для кожного з каналів розраховує швидкості звуку С1 і С2 двох частот F1 та F2, за значеннями різниці поміж яких (С2-С1) та технічних параметрів системи радіоакустичного зондування розраховує значення парціального тиску водяної пари, яке дозволяє отримати потрібні для конкретного використання параметри вологості повітря. По закінченні розрахунків комп'ютер 22 генерує команду "Стоп" для системи радіоакустичного зондування і видає одиничне значення парціального тиску водяної пари (або іншу характеристику вологості повітря) у таблицю на моніторі або на інший засіб відтворення та збереження метеорологічної інформації. Таким чином, розрахунок парціального тиску водяної пари у повітрі з використанням параметрів розстроювання умови Брегга q1 та q2, отриманих за допомогою кореляційної обробки прийнятих радіосигналів, дає можливість отримати підвищену точність визначення вологості повітря двох частотним радіоакустичним зондуванням. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Радіоакустичний спосіб визначення вологості атмосферного повітря, який полягає у тому, що одночасно випромінюють вертикально угору перший та другий когерентні акустичні імпульси з різними і кратними одне одному довжинами хвиль синусоїдального заповнення, опромінюють акустичні імпульси першим та другим електромагнітними коливаннями з довжинами хвиль, удвоє більшими довжин хвиль синусоїдального заповнення відповідно першого та другого акустичних імпульсів, приймають перший та другий відбиті від кожного з акустичних імпульсів електромагнітні коливання, який відрізняється тим, що послідовно перемножують вихідні сигнали першого та другого радіоприймачів з сигналами першого та другого генераторів опорних сигналів відповідно, опорні сигнали для кореляційного прийому формують у відповідності до функцій розсіювання, порівнюють поміж собою амплітуди вихідних сигналів кожного з кореляторів та визначають максимальний кожного із них, по максимальному значенню амплітуди вихідних сигналів кожного з кореляторів визначають параметри розстроювання умови Брегга q1 та q2, параметри q1 та q2 використовують для розрахунків швидкостей звуку за значеннями різниці поміж яких обчислюють парціальний тиск водяної пари. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5