Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое
Радиоакустический метод зондирования атмосферы. Проверка условия Брэгга. Принцип работы и классификация систем радиоакустического зондирования. Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты. Конфигурация антенной системы.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.09.2011 |
| Размер файла | 739,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
По виду получаемой информации радиоакустические локаторы можно также поделить на два типа: к первому, чаще всего встречающемуся, относятся импульсные моностатические локаторы с факсимильной регистрацией сигнала, ко второму типу - локаторы с системами обработки сигналов для получения количественной информации о параметрах атмосферы.
2.2 Требования к выбору параметров радиоакустических локаторов и несущей частоты
При проектировании и эксплуатации радиоакустических локаторов важен выбор таких параметров локатора, которые бы обеспечивали наилучший режим его работы. Наиболее простой и достаточно полной характеристикой качества системы зондирования является отношение средних мощностей сигнала и шума. По значениям этой величины можно следить в целом за работой акустического локатора. Добившись максимального отношения сигнал/шум, можно считать, что система функционирует в оптимальном режиме.
Несущая частота является одним из основных параметров радиоакустического локатора. Имеющиеся оценки указывают на сильную частотную зависимость мощности принимаемого сигнала, а следовательно, и максимальной дальности зондирования.
С увеличением частоты, с одной стороны, увеличивается направленность и пространственное разрешение при заданных габаритах антенной системы, уменьшается уровень окружающих шумов и растет доля рассеянной энергии распространяющейся звуковой волны, а с другой стороны, усиливается ослабление этой волны. Вследствие компромисса между перечисленными факторами получается некоторая оптимальная (по какому-либо критерию) частота для заданных условий.
Наиболее простым и удобным при нахождении оптимальных частот является критерий максимизации отношения сигнал/шум на входе приемной части локатора. Для целей радиоакустического зондирования атмосферы задача решалась в случае вертикального моностатического зондирования. При этом учитывались некоторые частные модели спектра шума, а также только классическое поглощение звука, которое составляет лишь малую часть полного ослабления.
2.3 Предпосылки исследования нижних слоев атмосферы
Радиолокационные и лазерные средства позволяют получать ценную метеоинформацию с достаточно больших территорий и высот. Однако приземный и пограничный слои атмосферы, а также прилегающие к ним области высот, не могут быть детально исследованы существующими радиолокационными и лидарными станциями [8].
Большие возможности для исследования нижних слоев атмосферы предоставляют методы дистанционного зондирования с использованием звуковых волн - акустический и радиоакустический методы. Звуковые волны гораздо интенсивнее взаимодействуют с атмосферой, чем электромагнитные волны радио и оптического диапазонов, что, с одной стороны, расширяет их возможности по оцениванию метеопараметров, с другой стороны, снижает проникающую способность, а, следовательно, дальность зондирования. В соответствии с этим диапазон дальности акустических и радиоакустических локаторов ограничен, как правило, высотами порядка нескольких километров, а наиболее подходящим объектом для их использования является атмосферный пограничный слой(АПС)[2].
В АПС, высота которого колеблется в зависимости от конкретных условий от 100 м до 2 км, происходит обмен количеством движения, влагой и теплом между подстилающей поверхностью и свободной атмосферой. Значительное влияние на процессы в АПС оказывают радиационные условия, рельеф земной поверхности, орография, а также процессы синоптического масштаба.
Разнообразием наблюдаемых условий и сложностью процессов объясняется отсутствие в настоящее время приемлемой теории и даже общепринятой параметризации пограничного слоя. Поэтому при решении различных научных и практических задач, требующих определенных сведений о метеорологических процессах АПС, возрастает необходимость в экспериментальных методах исследования (методах зондирования) атмосферы, позволяющих с достаточной точностью и пространственно-временным разрешением получать информацию о метеовеличинах и параметрах турбулентности в данном слое.
Можно выделить следующие основные виды взаимодействия звуковых волн со средой, которые могут быть положены в основу методов определения параметров атмосферы [16]:
- зависимость скорости звука от значений метеопараметров;
- рассеяние на неоднородностях;
- поглощение, имеющее сильную частотную зависимость;
- рефракция;
- доплеровский сдвиг частоты при отражении от движущихся неоднородностей;
- флуктуации амплитуды и фазы волны, обусловленные турбулентностью.
Дистанционное зондирование атмосферы акустическими волнами основано на рассеянии звуковых волн неоднородностями показателя преломления, обусловленными турбулентными флуктуациями температуры, скорости ветра и влажности. Задача о рассеянии звуковых волн в современной ее постановке была сформулирована и решена в общем виде впервые Обуховым А. М. Значительный вклад в развитие данного направления внесли эксперименты, выполненные Каллистратовой М. А. [4], которые доказали возможность наблюдения и применения данного эффекта.
2.4 Необходимые условия
В методе радиоакустического зондирования, основанном на радиолокации распространяющейся в атмосфере звуковой волны, получение отраженного сигнала становится возможным в силу частичного отражения радиоволны от акустических колебаний, которые, распространяясь в атмосфере, модулируют плотность воздуха и, следовательно, создают неоднородности диэлектрической проницаемости.
Достаточный для обработки и регистрации уровень отраженного радиосигнала может быть получен только в случае выполнения некоторых условий [2, 4]. Необходимо отражение от акустических волн длиной при , во-вторых, требуется выполнение условия Брэгга
, (2.1)
где - длина электромагнитной волны;
- длина волны акустических колебаний;
- угол между фронтом акустической волны и направлением распространения радиоволны.
Выполнение условия Брэгга приводит к тому, что радиоволны, отраженные от различных участков акустического цуга, складываются синфазно, и амплитуда суммарного отраженного радиосигнала увеличивается. В радиоакустическом зондировании излучение радио- и акустической волн обычно производят совмещенными или близко расположенными источниками, а интересуются обратным рассеянием. Угол при этом равен или близок к этому значению.
Кроме явления когерентного сложения рассеянных звуком радиоволн для РАЗ характерно также фокусирующее действие распространяющихся звуковых фронтов, представляющих собой протяженные сферические отражатели [2,4]. Отраженный радиосигнал вследствие этого представляет собой у поверхности Земли пучок сферических сходящихся волн. След пучка на горизонтальной плоскости получил название «пятна». Фокусирование электромагнитных колебаний и их синфазное сложение при отражении от различных участков акустической волны могут обеспечить значительные энергетические преимущества метода, однако для этого требуется выполнение определенных условий, накладываемых на аппаратуру и параметры излучаемых сигналов.
Влияние неоднородностей атмосферы на звуковые волны значительно сильнее, чем на электромагнитные колебания. Так, звуковые волны в 106 чувствительнее радиоволн к турбулентным температурным неоднородностям атмосферы [16]. В связи с этим в задаче радиоакустического зондирования можно пренебречь влиянием неоднородностей атмосферы на распространение радиоизлучения и ограничиться их влиянием только на параметры звукового излучения. При этом звуковые колебания выступают своеобразным датчиком, а радиоволны - переносчиком информации, что делает метод радиоакустического зондирования достаточно чувствительным к изменениям метеопараметров в атмосфере и защищенным от негативного влияния среды при переносе информации от исследуемого слоя к поверхности земли.
Наибольшее развитие и распространение среди акустических способов измерения параметров атмосферы получили метод определения скорости и направления ветра по доплеровскому сдвигу частоты рассеянных сигналов.
2.5 Практическое применение метода радиоакустического зондирования атмосферы
В настоящее время РАЗ - единственный дистанционный метод, обеспечивающий на практике приемлемую точность измерений температуры в данном высотном диапазоне.
В соответствии со своими возможностями средства акустического и радиоакустического зондирования находят применение при решении следующих практически важных задач.
1. Получение больших массивов экспериментальных данных по распределению метеопараметров в пограничном слое атмосферы. Это необходимо для создания общей теории АПС [4].
2. Долгосрочное и оперативное прогнозирование атмосферных загрязнений в крупных городах и промышленных районах. Состоит в предварительном детальном изучении средних значений метеопараметров и их изменчивости (например, розы ветров) в местах постройки химических и металлургических комплексов, а также оперативном предсказании опасных для загрязнения воздуха метеорологических ситуаций [2].
3. Повышение безопасности взлета и посадки летательных аппаратов [17]. Эта задача решается путем непрерывного контроля метеорологических, прежде всего ветровых, условий вблизи взлетно-посадочных полос аэродромов.
4. Исследование различных аспектов распространения радио и световых волн в пограничном слое путем контроля пространственно-временных изменений электромагнитных параметров атмосферы [18]. Долговременные данные о распределении электромагнитных параметров могут, например, использоваться при выборе мест для строительства обсерваторий и РЛС слежения за спутниками.
5. Изучение и прогнозирование условий распространения акустических шумов [24], в частности, условий распространения мощных звуковых помех на приземных трассах на значительные расстояния.
6. Измерение метеопараметров в процессе проведения оперативных работ по активным воздействиям на туманы (например, с целью «вскрытия» взлетно-посадочных полос аэродромов).
Несмотря на значительные успехи в развитии дистанционных методов, они в настоящее время не могут полностью заменить традиционную метеорологическую технику, поскольку также обладают рядом ограничений и нуждаются в дальнейшем развитии и совершенствовании.
2.6 Выбор метода исследований
Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ производят по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от звуковой посылки радиосигнала
. (2.2)
Эти измерения являются основными при определении температуры среды и компонентов скорости ветра [22].
В случае зондирования в одном направлении возможно определение температуры. При этом неопределенность слагаемого вносит в значение температуры ошибку, которая оценивается по формуле:
. (2.3)
Для повышения точности определения температуры атмосферы применяют либо осреднение результатов некоторого числа измерений скорости звука, используя предположение о близости среднего значения вертикальной составляющей скорости ветра к нулю, либо измеряют ее по доплеровскому сдвигу частоты отраженного акустического сигнала, полученного из той же области, что и электромагнитный сигнал. Если измерение скорости звука производят с использованием профилера, то для коррекции температуры используют значение лучевой скорости ветра, определяемое по отражениям от ясного неба.
Авторы Петерс и Аргеван были первыми, кто учел на практике при измерении температуры с помощью РАЗ-профилера вертикальное движение воздуха. Это стало возможным после разработки соответствующего спектрального процессора, позволяющего оценивать наряду с достаточно большим доплеровским сдвигом, порождаемым акустической волной, сравнительно малое значение доплеровской частоты, обусловленное ветром. Выполнение коррекции позволило значительно уменьшить расхождение между данными РАЗ и радиозонда.
Однако систематическое отклонение в результатах продолжает присутствовать: температура, полученная методом РАЗ, отличается от температуры, измеренной радиозондом на той же высоте.
Возможна комбинированная методика [24], состоящая в определении вертикальной компоненты скорости ветра по результатам измерений вертикальным моностатическим содаром и температуры в результате совместной обработки информации, полученной по акустическому и радиоканалам. Составляющие при этом определяются способом двух зондирований.
Важной характеристикой систем дистанционного зондирования атмосферы является их пространственное разрешение. В системах радиоакустического зондирования в случае измерения по проходу одного акустического импульса пространственное разрешение определяется продольным и поперечным размерами акустического пакета. При зондировании в нескольких направлениях значения метеовеличин находятся как средние для той части пространства, которая ограничена выбранными направлениями зондирования.
Кроме того, при последовательном зондировании в различных направлениях к разнесению измерений по пространству добавляется разнесение по времени. По этой причине таким способом можно измерять лишь средние по пространству и по времени значения метеовеличин. В некоторых задачах требуется измерение «мгновенных» значений метеовеличин вдоль заданного направления.
Получение профилей параметров атмосферы зондированием в нескольких направлениях требует также выполнения большого числа единичных измерений. Для зондирования в четырех направлениях их число определяется формулой , где - количество точек в профиле; - количество измерений в каждой точке для одного направления.
Если в расдаре применяется простейший способ определения скорости звука «по площадкам», когда при посылке одного акустического импульса скорость звука определяется лишь в одной точке, то общее время измерения профиля может достигать нескольких часов, а следовательно, на точность полученных значений существенное влияние оказывает нестационарность процессов в атмосфере.
Максимальная дальность действия систем радиоакустического зондирования, построенных по основной схеме, в значительной степени ограничена действием горизонтального ветра. Так, уже при скорости горизонтального ветра 4 - 5 м/с измерение метеовеличин методом зондирования в четырех направлениях становится практически невозможным 19. Это объясняется смещением пятна отраженных электромагнитных колебаний с апертуры приемной антенны.
Излученный в атмосферу акустический импульс переносится горизонтальным ветром, что приводит к изменению взаимного угла наклона фронтов акустической и электромагнитной волн. Отражение радиоволн от сферических волновых фронтов, созданных акустическим импульсом, является зеркальным. Следовательно, это приводит к перемещению пятна отраженных колебаний в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли. Величина перемещения является наибольшей при зондировании в направлениях, перпендикулярных вектору скорости горизонтального ветра. При зондировании в наклонных направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, проекция этого вектора на направление зондирования увеличивается, и смещение пятна уменьшается. Но даже при работе в этих направлениях энергетический потенциал системы, заложенный в акустическом и радиоканалах, реализуется далеко не полностью.
Так как в методике двух зондирований излучение осуществляется в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, то дальность при этом будет несколько выше, чем при четырех зондированиях 4.
Значительное влияние на дальность радиоакустического зондирования оказывают также следующие процессы: молекулярное поглощение энергии акустических волн во влажном воздухе; уменьшение интенсивности отраженного радиосигнала (в пятне) вследствие влияния турбулентности на акустический пакет.
В отличие от скорости ветра эти факторы определяют потенциальный «потолок» систем РАЗ и для заданного частотного диапазона влияние их на дальность зондирования уменьшить нельзя (заметим, что первое из этих ограничений может быть уменьшено соответствующим выбором частоты акустического сигнала). В реальных ветровых условиях сдвиг пятна превалирует над другими ограничивающими дальность факторами 4. Следовательно, естественным способом совершенствования основной схемы РАЗ является использование приемной дискретной антенны достаточно больших размеров 4, позволяющей принимать отраженный радиосигнал при сносе акустического пакета ветром.
Это увеличивает дальность действия системы, а дискретный характер антенны позволяет отслеживать движение пятна отраженного сигнала в горизонтальной плоскости вблизи поверхности земли (в плоскости приемной антенны).
Осуществляя измерение координат центра пятна и доплеровского сдвига частоты отраженного радиосигнала, можно восстановить профили скорости и направления горизонтального ветра по одной звуковой посылке, а при дополнительном измерении доплеровской частоты отраженного акустического сигнала еще определять вертикальную составляющую скорости ветра и температуру атмосферы.
Излучение акустического волнового пакета в наклонном направлении позволяет также определять при соответствующей обработке сигнала «мгновенные» значения указанных метеовеличин вдоль выбранного направления зондирования.
По результатам измерения составляющих скорости ветра можно вычислить модуль и направление вектора горизонтального ветра, а также определить такие важные для метеообеспечения взлета и посадки летательных аппаратов характеристики, как модуль и направление вектора вертикального сдвига горизонтального ветра.
Наибольшие успехи достигнуты в определении скорости ветра, которая может быть определена по результатам оценивания следующих параметров принимаемого сигнала: доплеровского сдвига частоты; времени запаздывания (времени прохождения сигналом определенной трассы); угла прихода рассеянной волны.
Наиболее разработанным, апробированным и широко применяемым на практике является доплеровский метод.
Доплеровский метод определения скорости ветра основан на измерении доплеровского сдвига частоты акустического сигнала, рассеянного на движущихся под действием ветра неоднородностях атмосферы. Известны две схемы зондирования, используемые при определении данного метеопараметра: моностатическая и бистатическая [16].
В моностатической схеме используется импульсный зондирующий сигнал, а радиальная (вдоль оси диаграммы направленности) составляющая скорости ветра определяется соотношением [16]
, (2.4)
где - частота излучаемой волны;
- доплеровский сдвиг частоты сигнала, полученный при рассеянии;
- частота рассеянного сигнала.
Пространственное разрешение измерений вдоль направления зондирования определяется половиной протяженности импульса , где - длительность импульса, а в поперечном направлении - шириной диаграммы направленности используемой антенны. Чтобы измерить профиль радиальной составляющей скорости ветра требуется осуществлять стробирование по высоте принимаемого сигнала, выделяя соответствующие «площадки».
Полный вектор скорости ветра определяется по результатам зондирования в трех [16] или пяти различных направлениях.
2.7 Актуальность метода
Станции радиоакустического и акустического зондирования активно привлекаются к решению разнообразных научных и прикладных задач, требующих сведений об атмосферных процессах. Однако эффективность их применения в значительной мере ограничивается возможностями существующих технических средств, в то время как возрастающие потребности практики требуют существенного улучшения основных характеристик станций.
Современное состояние теории и техники радиоакустических и акустических систем зондирования не позволяет в полной мере реализовать богатые информационные возможности рассматриваемых методов по измерению параметров атмосферы.
Для более эффективного их использования при решении различных задач требуется улучшать основные показатели качества систем зондирования: точность измерений, дальность действия, пространственное и временное разрешение, помехозащищенность. Требуется также расширять набор измеряемых метеопараметров и улучшать теоретические методы определения показателей качества и метрологической аттестации станций.
3. проектирование моноимпульсной однопозиционной системы радиоакустического зондирования
3.1 Методы измерения сдвига ветра
В настоящее время для метеорологического обеспечения авиации используются результаты вычислений сдвига ветра по измерениям скорости и направления ветра контактными датчиками, расположенными на разных уровнях высотных сооружений в зоне аэродрома. Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять метеопараметры в 300-метровом слое непосредственно над самой взлетно-посадочной полосой, а только на расстоянии нескольких километров от нее на высотах не более 40 - 50 метров с пространственно-временной экстраполяцией результатов. Получаемые результаты только приближенно соответствуют параметрам атмосферы на ВПП, а наиболее опасные атмосферные вихри диаметром 50 - 100 м над ВПП вообще не обнаруживаются.
Сдвиг ветра может быть вычислен по результатам измерения скорости ветра допплеровскими системами акустического или радиоакустического зондирования [4,16] . Недостатками этих методов является необходимость зондирования в нескольких направлениях внутри выбранного пространства конуса с достаточно большим телесным углом.
Радиоакустическое устройство для измерения скорости горизонтального ветра при зондировании атмосферы в одном направлении.
Принцип действия данного устройства: акустический импульс с синусоидальным заполнением излучается вертикально вверх, облучается непрерывным радиосигналом с использованием передающей антенны радиолокационной станции, при этом целью когерентного сложения амплитуд радиосигнала при отражении от перепадов радиоволны ?е должна быть в 2 раза больше длины акустической волны ?а (условие Брэгга). Отраженный от акустического импульса радиосигнал принимается антенной, диаграмма которой направлена вертикально вверх и в приёмном устройстве измеряются углы прихода в вертикальных взаимоперпендикулярных плоскостях и доплеровский сдвиг частоты. Измеренные величины используются для вычисления скорости и направления горизонтального ветра.
При этом необходимо отметить, что информация об угле прихода отраженного сигнала извлекается с помощью одной неподвижной радиоприемной антенны. Отсюда следует, что в данном устройстве используется пеленгация по методу максимума [28] , т.е. информация об угле прихода содержится в амплитуде отраженного сигнала и времени его прихода. Недостатком такого устройства является то, что, во-первых, устройство не позволяет определить углы прихода отраженного радиосигнала с погрешностью менее полуширины диаграммы направленности приемной радиоантенны на уровне - 3 дБ, поскольку пеленгационная характеристика в данном случае совпадает с диаграммой направленности приемной антенны и на рабочем участке ее крутизна мала [28] ; во-вторых, поскольку реализуются амплитудные измерения, случайные изменения уровня отраженного сигнала, связанные с воздействием атмосферной турбулентности на акустический пакет будут вносить существенную погрешность в результат измерения. Все это приводит к тому, что при реализации радиоакустического способа определения сдвига ветра с погрешностью менее ± (5 - 10) м/с в диапазоне измерения ветра ± 30 м/с не представляется возможным, что не удовлетворяет требованиям авиации [26].
Для повышения точности измерений угловых координат движущегося акустического пакета целесообразно применить методы моноимпульсной локации [27,28] .
3.2 Конфигурация антенной системы
На рисунке 3.1 представлены траектория движения акустического пакета под действием ветровых потоков и конфигурация антенной системы радиоакустического измерителя.
Рисунок 3.1 - Траектория движения акустического пакета
Радиоакустическое устройство содержит последовательно соединенные генератор импульсов звуковой частоты и акустическую антенну, Последовательно соединенные генератор радиочастоты и радиопередающую антенну А5, четыре радиоприемные антенны А1, А2, А3, А4, блоки суммы-разности , причем антенны А1 и А4 - с первым и вторым входами блока 5, а разностные выходы 2 блоков 3,5 соединены с первыми входами блоков 6,8 усиления сигнала, блок 4 суммы, первый и второй входы которого соединены с суммирующими выходами 1 блоков 3,5, а выход - с первым входом блока 7 усиления сигнала, блок ІО АРУ, вход которого соединен с выходом блока 7, а выход - со вторыми входами блоков 6,7,8 усиления сигнала, фазовращателей, на ?/2 9, ІІ, входы которых соединены с выходами блоков 6,8 усиления сигнала, блоки І2,І4 измерения углов прихода ? и ? отраженного сигнала в плоскостях XOZ и YOZ, первые входы которых соединены с выходами блоков 9, II фазовращателей, а вторые входы - с выходом блока 7 усиления сигнала, блок І3 измерения доплеровской частоты Fд отраженного сигнала, первый вход которого соединен с выходом блока 7 усиления сигнала, а второй вход - с выходом генератора І радиочастоты, генератор І6 синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом генератора 2 импульсов звуковой частоты, вычислительный блок І5, первуй и третий входы котрого соединены с выходами блоков І2, І4 измерения улов ? и ?, а второй вход соединен с выходом блока І3 измерения доплеровской частоты Fд, а четвертый вход - со вторым выходом генератора І6 синхроимпульсов.
3.3 Анализ работы радиотехнического устройства
Проанализируем работу этого устройства и сформулируем требования к его техническим характеристикам.
Генератор синхроимпульсов запускает генератор импульсов звуковой частоты который с помощью акустической антенны А6 излучает акустический импульс вертикально вверх. Траектории движения акустического пакета под действием воздушных потоков (рис. 3.1) может быть описана как перемещение конца радиус - вектора R(t), соединяющего точку излучения (начало координат) с текущим местоположением акустического пакета. Длина радиус - вектора, изменяющегося во времени, может быть представлена в виде:
(3.1)
и его проекции на оси координат:
(3.2)
(3.3)
(3.4)
где
(3.5)
Излученный акустический импульс соосно облучается непрерывным радиосигналом с помощью генератора І радиочастоты и радиопередающей антенны А5. Отраженный радиосигнал принимается четырьмя радиоприемными антеннами А1-А4, обрабатывается в блоках 4,5 суммы разности, блок 4 суммы, усиливается до необходимого уровня и нормируется с помощью блока ІО АРУ в блоках 6,7,8 усиления сигнала, в блоке І3 измеряется доплеровский сдвиг частоты отраженного сигнала, а в блоках І2, І4 измеряются углы прихода ? и ? отраженного радиосигнала во взаимноперпендикулярных плоскостях XOZ и YOZ соответственно. Ввиду прямолинейности распространения радиоволн длина вектора R(t) может быть вычислена по измеренному значению радиальной скорости движения пакета
(3.6)
где VR(t) - радиальная скорость распространения акустического пакета, ?е - длина радиоволны.
Текущее значение углов ?(t) и ?(t), характеризующих угловое положение радиус - вектора R(t), содержится в сигналах, формируемых взаимосвязанными приемными антеннами А1,А2,А3,А4 и блоками 3,4,5.
Рассмотрим операции [27] измерения угла ?(t) с использованием фазового суммарно-разностного метода, полагая, что угол ?=0 (имеется составляющая скорости ветра только в плоскости XOZ). Сигналы на выходах антенн А1 и А4 с идентичными диаграммами направленности при отклонении центра акустического пакета от вертикального (равносигнального) направления вычисляются согласно формулам:
(3.7)
(3.8)
где F(?) - диаграмма направленности антенн А1 и А4, а ?? - фазовый сдвиг, обусловленный разностью хода отраженного радиосигнала от центра пакета до фазовых центров антенн А1 и А4, причем
(3.9)
где l - расстояние между фазовыми центрами антенн А1 и А4,
?е - длина волны отраженного радиосигнала.
Суммарный и разностный сигналы на выходах 1 (суммарном) и 2 (разностном) блока 3 суммы - разности с учетом баланса мощностей будут иметь вид:
(3.10)
(3.11)
После усиления с нормировкой по суммарному сигналу в блоках 6,8 с помощью блока ІО АРУ, в разностный сигнал вводится дополнительный фазовый сдвиг ??=?/2. Это необходимо для того, чтобы обеспечить равенство нулю выходного напряжения блока измерения угла ? при совмещении центра акустического пакета с равносигнальным направлением, т.е. когда ??=0.
После этих преобразований и с учетом работы АРУ по суммарному сигналу на выходе фазового детектора, входящего в качестве основного принципиального элемента в блок измерения угла І2, имеем напряжение, значение которого зависит от угла ?:
(3.12)
где - комплексно-сопряженные значения сигналов на выходе суммарного и разностного каналов.
(3.13)
Подставив значение ?? из (3.9) в формулу (3.13) можно получить окончательное выражение:
(3.14)
Величина S(?) определяет пеленгационную характеристику радиоакустической системы в плоскости XOZ и является напряжением на выходе фазового детектора блока 12. Следовательно,
(3.15)
Видно, что при изменении направления отклонения акустического пакета от вертикали величина ?? согласно формуле (3.9) изменит свой знак. В силу нечетности функции sin и tg величина S(?) тоже изменит знак. Поэтому полярность напряжения на выходе блока 12 будет определять направление отклонения пакета, а величина - степень отклонения.
Измеренные значения Fд(t),?(t) и ?(t) поступают в вычислительный блок 15, где вычисляются составляющие скорости горизонтального ветра по формулам:
(3.16)
(3.17)
При этом модуль сдвига горизонтального ветра на высотах Zj и Zi вычисляется по формуле:
(3.18)
Направление сдвига горизонтального ветра вычисляется по формуле
(3.19)
3.4 Технические характеристики системы
На рис. 3.2, 3.3 дано расположение антенн системы радиоакустического зондирования. Передающая радиоантенна А5 и акустическая антенна А6 расположены соосно и их центры совпадают с началом координат 0, а электрические оси - с направлением оси OZ. Приемные антенны А1-А4 расположены таким образом, что их геометрические центры находятся на координатных осях OX и OY (А1 и А4 на оси ОУ, А2 и А3 на оси ОХ) на равных расстояниях от начала координат 0 (ОА1=ОА2=ОА3=ОА4=l/2, где l - база пеленгатора).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 3.2 - Расположение антенн системы радиоакустического зондирования
Рисунок 3.3 - Расположение антенн системы радиоакустического зондирования (вид сверху)
Величина l является одним из наиболее существенных параметров системы, поскольку она определяет крутизну пеленгационной характеристики системы (точность определения угла), а также неоднозначность измерений, вызванную набегом фазы, кратным 2? . Поэтому можно утверждать, что минимальная величина базы l ограничена размерами dn совмещенных акустической и радиопередающей антенн (l>lmin=dn), а максимальная ее величина ограничена расстоянием, при котором еще обеспечивается однозначность измерений l<lmax. Величина lmax, исходя из (3.13):
(3.20)
(3.21)
Отсюда видно, что при заданной длине волны ?е величина lmax определяется минимальным измеряемым углом ?min. В случае радиоакустического зондирования величина ?max - это максимально возможное отклонение центра акустического пакета за счет сноса его горизонтальным ветром. Путем несложных геометрических построений можно определить, что даже при очень сильном ветре 30 м/с (108 км/ч), постоянном по высоте зондирования, отклонение пакета в одной плоскости не превысит 6 градусов.
Поскольку
Диаметр радиопередающей и акустической антенн определяется прежде всего необходимой шириной диаграммы направленности на уровне половинной мощности. Нам необходимо, чтобы даже при максимальном сносе пакета ветром центр его всегда находился в пределах антенн и всегда облучался электромагнитной энергией. Логично, поэтому, положить, что
Такое соотношение между акустической и радио диаграммами выбрано с целью максимальной концентрации энергии. Далее известно, что:
(3.23)
(3.24)
Окончательно можно записать, что в частном случае, когда
крутизна пеленгационной характеристики определяется как:
(3.25)
Продифференцировав выражение (3.25) по ? и подставив ?=0, получим:
(3.26)
Отсюда видно, что крутизна (точность) при фиксированной ?е прямо пропорциональна базе системы l. Поэтому в допустимых пределах величина L выбирается, исходя из необходимой точности определения углов прихода и допустимыми габаритными размерами всей системы.
Положим, что необходимо определять скорость ветра с точностью до 0,5 м/с. Для этого необходимо измерять углы прихода отраженного радиосигнала с погрешностью до 0,1 градуса. Известные промышленные измерители разности фаз (например, ФК2-12) способны определять фазовые сдвиги с погрешностью до 2,5 градуса. Подставив в формулу (20) ?max=0,1 градус, а ??=2,5 градуса получим величину минимально необходимой базы системы, при которой обеспечивается заданная точность измерения скорости ветра:
(3.27)
Следовательно, при размещении приемных антенн непосредственно по периметру радиопередающей антенны, во-первых, обеспечивается точность измерения скорости ветра выше заданной, во-вторых, габаритные размеры антенной системы сводятся к минимально возможным при данной конфигурации системы.
Ширина диаграмм направленности приемных радиоантенн не является существенным параметром, поскольку при данном методе пеленгации направленные свойства антенн не используются для получения пеленгационной характеристики. Идентичные диаграммы направленности приемных антенн должны перекрывать рабочую зону системы, а также обеспечивать минимальную мертвую зону на начальном участке траектории акустического пакета.
При ширине диаграмм направленности приемных антенн 30градусов протяженность мертвой зоны равна 20 dпр=10?е. При этом диаметры зеркальных приемных антенн будут равны:
(3.28)
Конструктивное выполнение антенн определяется выбранным рабочим диапазоном частот. Пример выполнения совмещенной радио и акустической антенн приведен в [4]. Блоки 3,4,5 выполняются в виде коаксиальных гибридных колец либо волноводных мостов, в зависимости от рабочего диапазона частот [27]. Блоки 12,13,14 представляют собой усилители с переменным коэффициентом усиления и полосой частот, определяемой спектром усиливаемого сигнала [27].
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 3.4 - Структурная схема моностатической системы РАЗ
3.5 Оценка оптимального отношения сигнал/шум в системе радиоакустического зондирования атмосферы
В последнее время задачи диагностики метеорологических параметров нижнего слоя атмосферы часто решаются с помощью систем радиоакустического зондирования. В этих системах используются свойства взаимодействия акустических и электромагнитных волн со средой распространения, в частности, зависимости параметров распространения звуковой волны от давления, температуры, вязкости, состава среды распространения и других параметров. Одновременное комбинированное использование свойств радио и акустических волн, которые распространяются в одном и том же объеме, позволяет значительно улучшить характеристики систем диагностики. В системе РАЗ акустическая волна излучается в исследуемую область пространства и модулирует плотность среды, через которую она проходит. Одновременно этот объем облучается радиоволной, которая рассеивается на образовавшихся неоднородностях, отличающихся по своим радиофизическим характеристикам от аналогичных по размерам участков невозмущенной среды. Из рассеянной электромагнитной волны, принятой приемником РЛС, выделяется информация о среде распространения. Это позволяет использовать акустический пакет в качестве практически безынерционного датчика, характеристики которого определяются на основе закономерностей взаимодействия со средой распространения радиоволны.
В радиолокационных системах фазовый фронт волны, облучающий объект, принимается плоским, в системах РАЗ в пределах дальностей, на которых формируется отраженный сигнал. Требование плоского фазового фронта волны в радиолокации определяет синфазность возбуждения вторичных источников на поверхности наблюдаемого объекта, а в системах РАЗ выполнение такого требования обеспечивается геометрическим расположением акустической и радиоантенн в непосредственной близости друг от друга. В результате сферические фронты акустической и радиоволн практически совпадают и фактически выполняются требования, предъявляемые в радиолокации при облучении точечных объектов.
В качестве исходного соотношения, с помощью которого может быть решена поставленная задача, используем формулу для мощности принятого сигнала Pr [33]:
(3.29)
где Pr - мощность принятого радиосигнала, Вт;
- излучаемая акустическая мощность, Вт;
N - число длин волн в акустическом пакете;
? - наименьший из углов раскрыва диаграмм направленности звуковой и радио антенн, град;
r - средняя дальность зондирования, м;
? - коэффициент ослабления (по мощности) акустической волны, дБ/м;
В - коэффициент, определяемый точностью выполнения условия Брэгга в пределах пакета, в предельном случаем В=1;
- коэффициент усиления передающей радиоантенны;
- коэффициент усиления приемной радиоантенны;
- коэффициент усиления акустического излучателя.
Коэффициент классического поглощения звука, обусловленного вязкостью и теплопроводностью воздуха, определяется формулой:
(3.30)
где ? - вязкость воздуха;
р - атмосферное давление;
- скорость звука;
- частота звука.
Для обычных атмосферных условий количественная оценка коэффициента поглощения может быть получена из следующего соотношения:
(3.31)
где ;
=332м/с;
=0,25м;
= 1328Гц.
Величина погонного затухания акустической волны ?(дБ/м) может быть получена из формулы:
(3.32)
Для высокоточных измерений параметров отраженного радиосигнала необходимо иметь соотношение сигнал/шум на входе приемника не менее 30…40дБ. Мощность шумов в приемнике определяется по формуле:
(3.33)
где - коэффициент шума;
? - коэффициент потерь;
?f - эффективная ширина полосы пропускания.
k = Дж/К;
= 3;
? = 5;
Т = 300К;
?f = 10Гц.
(3.34)
где ? - угол раскрыва антенна в градусах.
По вышеприведенным формулам выполнены оценочные расчеты энергетического потенциала системы радиоакустического зондирования при следующих технических характеристиках системы:
N = 30;
B = 1;
? = 6°;
r = 10,20…330м;
= 5 Вт;
= 25 Вт;
= 25000/12° = 2083,333;
= 25000/20° = 1250;
= 25000/6° = 4166,667;
Вычислим и ? согласно формул (3.31) и (3.32):
Результаты расчетов отношения сигнал/шум, которое обозначим q = / приведены в таблице 3.1:
Таблица 3.1 - Зависимость отношения сигнал/шум от дальности
|
Дальность r, м |
Отношение сигнал/шум q, разы |
Отношение сигнал/шум q, дБ |
|
|
10 |
762,682737 |
28,82344 |
|
|
20 |
190,670579 |
22,80284 |
|
|
30 |
84,7424324 |
19,28101 |
|
|
40 |
47,6675918 |
16,78223 |
|
|
50 |
30,5072418 |
14,84403 |
|
|
60 |
21,1855728 |
13,2604 |
|
|
70 |
15,564902 |
11,92146 |
|
|
80 |
11,9168715 |
10,76162 |
|
|
90 |
9,41579449 |
9,73857 |
|
|
100 |
7,62678931 |
8,823417 |
|
|
110 |
6,30312817 |
7,995561 |
|
|
120 |
5,29637559 |
7,239788 |
|
|
130 |
4,51288558 |
6,544543 |
|
|
140 |
3,89121041 |
5,900847 |
|
|
150 |
3,38967474 |
5,30158 |
|
|
160 |
2,97920466 |
4,741003 |
|
|
170 |
2,6390172 |
4,214422 |
|
|
180 |
2,35393688 |
3,717948 |
|
|
190 |
2,11267348 |
3,248324 |
|
|
200 |
1,90668676 |
2,802793 |
|
|
210 |
1,72942013 |
2,379005 |
|
|
220 |
1,57577243 |
1,974935 |
|
|
230 |
1,44172672 |
1,588829 |
|
|
240 |
1,32408509 |
1,219159 |
|
|
250 |
1,22027614 |
0,864581 |
|
|
260 |
1,12821326 |
0,523912 |
|
|
270 |
1,04618895 |
0,196101 |
|
|
280 |
0,97279505 |
-0,11979 |
|
|
290 |
0,90686195 |
-0,42459 |
|
|
300 |
0,84741164 |
-0,71906 |
|
|
310 |
0,79362128 |
-1,00387 |
|
|
320 |
0,74479456 |
-1,27964 |
|
|
330 |
0,70033903 |
-1,54692 |
Графическая зависимость отношения сигнал/шум от дальности приведена на рисунке 3.5
Рисунок 3.5 - График зависимости отношения сигнал/шум, дБ от дальности, м
3.6 Исследование траектории движения акустического пакета
Проведем исследование траектории движения акустического пакета на высотах от 10 о 330 метров с шагом 10м. Вычислим частоту Доплера, величину смещения пакета и предполагаемые координаты, воспользовавшись формулами (3.2), (3.3), (3.4). Определим скорость сноса пакета на каждой из высот приземного слоя атмосферы, по формуле:
, (3.35)
где - скорость смещения акустического пакета, м/с;
- i-тый радиус вектор;
- временной интервал, =0,03с;
- угол отклонения в плоскости xoz.
Результаты вычислений помещены в Таблицу 3.2.
Таблица 3.2 - Параметры движения пакета
|
Координаты x, м |
Координаты y, м |
Координаты z, м |
Радиус-вектор R, м |
, м/с |
|
|
1 |
0,1 |
10 |
10,05037 |
3,01243758 |
|
|
2 |
0,2 |
20 |
20,10075 |
3,01243758 |
|
|
4 |
0,3 |
30 |
30,26698 |
6,874415046 |
|
|
3 |
0,4 |
40 |
40,11434 |
3,754737229 |
|
|
5 |
0,5 |
50 |
50,25187 |
5,917634923 |
|
|
7 |
0,6 |
60 |
60,40993 |
6,602244036 |
|
|
6 |
0,7 |
70 |
70,26016 |
3,659118345 |
|
|
8 |
0,8 |
80 |
80,40299 |
6,094187049 |
|
|
10 |
0,9 |
90 |
90,55832 |
6,511290951 |
|
|
9 |
1 |
100 |
100,4092 |
3,638693975 |
|
|
11 |
1,1 |
110 |
110,5541 |
6,164715764 |
|
|
13 |
1,2 |
120 |
120,7081 |
6,465773578 |
|
|
12 |
1,3 |
130 |
130,5591 |
3,631130761 |
|
|
14 |
1,4 |
140 |
140,7052 |
6,202669924 |
|
|
16 |
1,5 |
150 |
150,8584 |
6,43845037 |
|
|
15 |
1,6 |
160 |
160,7096 |
3,627520614 |
|
|
17 |
1,7 |
170 |
170,8563 |
6,226382984 |
|
|
19 |
1,8 |
180 |
181,009 |
6,420229638 |
|
|
18 |
1,9 |
190 |
190,8602 |
3,625520889 |
|
|
20 |
2 |
200 |
201,0075 |
6,242603992 |
|
|
22 |
2,1 |
210 |
211,1597 |
6,407212273 |
|
|
21 |
2,2 |
220 |
221,0109 |
3,624298708 |
|
|
23 |
2,3 |
230 |
231,1586 |
6,254399176 |
Зависимость скорости смещения от высоты отображена на рисунке 3.6
Рисунок 3.6 - График зависимости изменения высоты от скорости смещения акустического пакета
3.7 Особенности разработанной системы радиоакустического зондирования
Особенность систем РАЗ состоит в необходимости выполнения условия Брэгга, которая диктуется как энергетическими, так и информационными соображениями. При использовании простых акустического и электромагнитного зондирующих сигналов изменение с высотой температуры и радиальной скорости ветра приводит к нарушению соотношения Брэгга. Достаточно сильный отраженный сигнал существует только в некотором диапазоне высот, причем, чем больше длительность акустического импульса (число длин волн в импульсе), тем меньше этот диапазон [4].
Настройка на условие Брэгга для каждой из точек профиля («площадок») вручную путем изменения частоты излучаемого звукового сигнала занимает достаточно много времени, которое в зависимости от количества «площадок» может составлять 0,5 - 3 часа.
Используемый алгоритм измерений значительно ограничивает оперативность получения профилей метеопараметров - качество, являющееся одним из основных потенциальных достоинств метода. Кроме того, такое время соизмеримо со временем квазистационарности процессов в атмосфере, в течение которого можно производить осреднение.
Поэтому с самого начала развития метода РАЗ стали делаться попытки получения профилей «по одной звуковой посылке» с подстройкой частоты акустического излучения в среднем по трассе, однако достаточный для регистрации уровень отраженного сигнала даже при благоприятных метеоусловиях удалось получить только из нескольких соседних точек профиля. Нарушение при этом условия Брэгга в крайних точках, в которых удается зарегистрировать сигнал, приводит к появлению ошибок в определении температуры порядка 0,5 - 20 С. Указанная ошибка не превышает случайных ошибок радиозондов, но оказывается коррелированной с градиентом температуры, причем, градиент всегда занижается по абсолютной величине. И хотя общее время измерения температурного профиля по такой методике значительно уменьшается, однако появляется неслучайная ошибка, которая не может быть уменьшена осреднением и коррекцией результатов измерений.
Поскольку обеспечить выполнение условия Брэгга во всем диапазоне изменения акустических длин волн с помощью подстройки частоты радиосигнала не представляется возможным, то медленные (в том числе сезонные и суточные) изменения метеопараметров целесообразно компенсировать подстройкой частоты звукового генератора. Такая периодическая подстройка частоты звука может быть выполнена по прямым измерениям температуры и скорости ветра у поверхности земли и может осуществляться автоматически либо оператором. Компенсацию быстрых изменений длины акустической волны (в течение времени распространения акустического пакета) необходимо производить изменением частоты радиоизлучения. Так, чтобы обеспечить выполнение условие Брэгга при изменении температуры атмосферы с высотой на 100 С необходимо иметь возможность перестройки частоты радиосигнала в пределах 1,5 % с точностью порядка 0,05 % и скоростью порядка 0,1 % за 0,1 с [4].
Однако сведения об успешной реализации подобных процедур на практике отсутствуют, что объясняется технической сложностью задачи, с одной стороны, и несовершенством алгоритмов управления частотами зондирующих сигналов - с другой.
В случае использования в системах РАЗ дискретной приемной радиоантенны схема излучения и приема сигналов- приемная антенна замещается антенной решеткой. Для эффективного использования апертуры решетки передающие электромагнитная и акустическая антенны могут перемещаться при изменении метеоусловий, занимая положение с наветренной стороны, либо используется соответствующее количество передающих антенн, которые переключаются. Разработаны соответствующие алгоритмы обработки сигналов для такой схемы, позволяющие, в частности, оценивать координаты центра пятна рассеянных колебаний, перемещающегося в процессе измерений по апертуре решетки.
Подобные документы
Понятие данных дистанционного зондирования. Применение географических информационных систем, позволяющих эффективно работать с пространственно-распределенной информацией. Виды орбит искусственных спутников Земли. Классификация спутников и их параметры.
реферат [358,1 K], добавлен 09.02.2011Основные тенденции развития рынка данных дистанционного зондирования Земли в последнее десятилетие. Современные космические ДДЗ высокого разрешения. Спутники сверхвысокого разрешения. Перспективные картографические комплексы Cartosat-1 и Cartosat-2.
презентация [25,6 M], добавлен 23.02.2015Сущность, условия решения и критерий оптимальности задачи измерения параметров сигнала. Постановка задачи измерения параметров сигнала. Классификация измерителей. Следящий режим измерения. Автоматические измерители работающие без участия человека.
реферат [382,0 K], добавлен 29.01.2009Рассмотрение методов измерения параметров радиосигналов при времени измерения менее и некратном периоду сигнала. Разработка алгоритмов оценки параметров сигнала и исследование их погрешностей в аппаратуре потребителя спутниковых навигационных систем.
дипломная работа [3,6 M], добавлен 23.10.2011Методы измерения параметров и характеристик усилителей низкой частоты. Изменение входного сигнала в заданных пределах, частоты генератора. Выходное напряжение при закороченном и включенном сопротивлении на входе усилителя. Входная емкость усилителя.
лабораторная работа [21,8 K], добавлен 19.12.2014Формы, размеры и конструкции современной фазированной антенной решетки, ее структурная схема и особенности построения. Расчет основных электрических параметров волноводной фазированной антенной решетки, определение ее основных габаритных параметров.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 18.05.2013Высокочастотная система передачи данных. Технические характеристики HFDL. Технология выбора канала связи в сети. Использование динамического управления частотами наземных станций на основе глобальной системы зондирования. Схема обмена пакетными данными.
курсовая работа [608,9 K], добавлен 24.05.2016Принцип работы и основные технические характеристики электромеханических измерительных приборов. Расчет и изготовление прибора для измерения параметров реле. Выбор типа регулирующего транзистора и его режима. Достоинства транзисторных стабилизаторов.
курсовая работа [610,9 K], добавлен 22.06.2010Излучатель антенной решетки. Выбор конструкции вибратора и схемы питания. Антенная решетка системы излучателей. Расчет диаграммы направленности и геометрия антенной решетки. Расчет параметров решетки при заданном максимальном секторе сканирования.
контрольная работа [250,6 K], добавлен 03.12.2010Режимы работы системы управления антенной. Режим импульсного захвата. Описание системы управления антенной и входящих в неё элементов в режиме автосопровождения. Двухконтурная система наведения. Определение и анализ прямых показателей качества.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 07.01.2015
