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
очности в силу зависимости амплитуды отраженного радиосигнала от многих других параметров атмосферы: температуры; скорости ветра; параметров турбулентности.
Комбинированные системы РАС - РВП позволяют измерять скорость звука, скорость ветра и температуру, а также их флуктуации.
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 [5].
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.
В условиях нестационарного протекания атмосферных процессов увеличение числа измерений с целью уменьшения ошибки после превышения некоторого интервала времени приведет к росту результирующей погрешности.
Ошибки, вызванные нестационарностью процессов в атмосфере, имеют место и при определении профиля полного вектора скорости ветра РВП путем зондирования в нескольких направлениях.
Максимальная дальность действия систем радиоакустического зондирования, построенных по основной схеме, в значительной степени ограничена действием горизонтального ветра. 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 [5]. 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, 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.
1.6 Трудности на пути исследований
Отсутствие или н