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
?иля по такой методике значительно уменьшается, однако появляется неслучайная ошибка, которая не может быть уменьшена осреднением и коррекцией результатов измерений.
Кардинальным решением вопроса о повышении оперативности радиоакустического зондирования и точности измерения метеопараметров является подстройка частоты электромагнитного излучения под условие Брэгга по мере продвижения простого акустического импульса в атмосфере.
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.
1.5 Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ
Измерения скорости звука в атмосфере методом РАЗ производят по доплеровскому сдвигу частоты отраженного от звуковой посылки радиосигнала:
.(1.6)
Эти измерения являются основными при определении температуры среды и компонентов скорости ветра [3].
Теоретическим и практическим вопросам точности оценивания температуры методом РАЗ в литературе уделяется значительное внимание. В 80-е годы данный вопрос обсуждался для случая, когда компенсация лучевой скорости ветра осуществляется по данным акустического локатора. Результаты этих исследований достаточно подробно представлены в [4].
Авторы Страут Р., May P.T 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.
В работе [10] предложен подход, позволяющий оценивать погрешности температурных измерений с помощью метода РАЗ, которые зависят от величины горизонтального ветра, положения акустического источника по отношению к антенне радара и от интенсивности турбулентности в нижней части зондируемого слоя.
В статье [32] анализируется составляющая ошибки, обусловленная различием в интенсивностях радиосигнала, рассеянного различными частями акустической посылки. Сигнал, полученный от нижней части пакета, является более интенсивным, чем от верхнего участка, и в результате измеренная с помощью РАЗ температура оказывается выше физической средней температуры в пределах интервала разрешения. Обсуждается также возможность дальнейшего уточнения коэффициента в формуле (1.6).
Способ четырех зондирований для определения температуры и полного вектора скорости ветра состоит в следующем [4]. Последовательно производится зондирование атмосферы в четырех различных направлениях и решаются системы уравнений, полученные для совокупности выбранных высот, относительно температуры и трех составляющих скорости ветра . Геометрия метода четырех зондирований представлена на рис. 1.2.
Рис.1.2 - Схема зондирования в четырех направлениях
, 2,3, 4 - направления зондирования.
Скорость распространения звука в -м направлении:
, (1.7)
где - направляющие косинусы -го направления зондирования.
В матричном виде система уравнений имеет вид
, (1.8)
где - вектор неизвестных;
.
Углы определяют направление зондирования.
Решение матричного уравнения позволяет получить значение температуры и составляющих скорости ветра [15]
.(1.9)
Методика зондирования в двух направлениях, лежащих в плоскости вектора скорости горизонтального ветра, позволяет приближенно оценить составляющие горизонтального ветра . Вертикальная составляющая ввиду ее малости при этом считается равной нулю.
Способ радиоакустического определения влажности основан на значительной зависимости коэффициента затухания звуковых волн от упругости водяного пара. Для определения влажности воздуха методом РАЗ требуется выполнить зондирование на двух акустических частотах, характеризующихся существенным различием в значениях . Измеряются амплитуды радиосигналов, рассеянных звуковыми волнами. Метод сложен в практической реализации и не обеспечивает хорошей т