Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
В° ?:
(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).
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 ?/p>