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
?ы 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