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
Сущность радиоакустического метода зондирования атмосферы состоит в том, что вместо обычно выпускаемого шар-зонда или радиозонда в атмосферу излучаются короткие посылки звуковых волн высокой интенсивности, скорость и направление распространения которых измеряются с помощью доплеровского радиолокатора.
На пути своего распространения звуковые волны создают периодические изменения диэлектрической проницаемости воздуха, которые способны рассеивать электромагнитные волны с когерентным сложением рассеянной энергии. Особенность систем РАЗ состоит в необходимости выполнения условия Брэгга (1.1), которая диктуется как энергетическими, так и информационными соображениями, то есть соблюдение условия резонансной дифракции электромагнитного излучения на решетке, созданной распространяющимися звуковыми волнами в атмосфере. Объяснить дифракцию Брэгга можно тем, что падающая под углом к звуковой решетке электромагнитная волна частично отражается от неё, а интерференция отраженных волн определяет интенсивность дифрагированной энергии (Рис.1.1).
Рисунок 1.1 - Схема отражения электромагнитного излучения от максимумов деформации в звуковой волне
Интенсивность дифрагированной электромагнитной энергии будет максимальна, если разность хода электромагнитных волн, отраженных от соседних максимумов деформации воздушной среды удовлетворяет условию Брэгга:
(1.1)
где
(1.2)
- разность фаз отраженных электромагнитных волн;
- длина звуковой волны;
- длина электромагнитной волны;
- угол рассеяния электромагнитных волн.
Падение электромагнитных волн на звуковую решетку будет близко к нормальному в случае вертикального зондирования и рассматривая гипотетическую прямоугольную звуковую волну, на каждой поверхности сжатия-разрежения часть падающей электромагнитной энергии будет отражаться. Квадрат модуля коэффициента отражения по мощности определяется в этом случае выражением [7]:
(1.3)
где - на границе сред 1 и 2;
- на границе сред 2 и 3.
имеет место, когда , где -любое печатное целое число.
Коэффициент отражения будет максимальным при =1.
Реальный пакет звуковых волн, распространяющихся в атмосфере, создает синусоидальное изменение . Максимум отражения в этом случае также будет при =1.
Здесь - любое положительное целое число.
Коэффициент отражения по мощности выражается по формуле:
(1.4)
где -постоянная отражения для воздуха;
- число длин волн в звуковой посылке;
- интенсивность акустической волны в точке отражения;
- - эталонная интенсивность акустической волны.
Из анализа выражения для ? следует, что увеличение длительности звуковой посылки, увеличивает уровень отраженного сигнала. Одновременно сужает ширину полосы, затрудняя настройку акустического отражателя в резонанс, т.е. выполнение условия . Следовательно, длительность зондирующей звуковой посылки определяется по формуле:
(1.5)
где -длительность зондирующей звуковой посылки;
- разрешающая способность по дальности;
- скорость распространения звука.
1.4 Проверка условия Брэгга
Кроме явления когерентного сложения рассеянной звуковой посылки электромагнитного излучения, приводящего к увеличению интенсивности рассеянного радиоизлучения при РАЗ атмосферы с разнесенными источниками электромагнитного и акустического излучения, действует фокусирующая способность распространяющихся звуковых фронтов, которые представляют собой протяженные сферические отражатели, осуществляющие фокусировку отраженного сигнала к месту расположения приемной антенны доплеровского радиоканала.
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 про?/p>