Радіолокаційно-акустична система зондування.

Суть радіолокаційно-акустичного методу зондування атмосфери полягає в тому, що замість звичайного радіозонду, що випускається, в атмосферу випромінюються імпульси акустичних хвиль, швидкість і напрямок розповсюдження яких вимірюються за допомогою допплерівської РЛС. Через те, що швидкість розповсюдження акустичних хвиль в атмосфері зв’язана з її метеорологічними елементами, в першу чергу з температурою, а напрямок їх розповсюдження – з переміщенням повітряних мас, то отже, за результатами радіолокаційних вимірювань може бути отримана інформація про температуру і радіальну складову швидкості вітру.

Радіолокаційно-акустичний метод зондування атмосфери базується на двох принципах. Перший принцип полягає в тому, що акустичні хвилі, будучи за своєю природою хвилями поздовжніми, створюють в середовищі, в якій вони розповсюджуються, періодичні зміни густини, тобто періодичні зміни коефіцієнту діелектричної проникності. При падінні електромагнітної енергії на межу стрибків ущільнення середовища відбувається її розсіювання. Частина розсіяної енергії може бути прийнята приймачем РЛС і зареєстрована.

Другий принцип полягає в тому, що швидкість розповсюдження звуку в атмосфері відносно земної поверхні являє собою векторну суму:

,

де - вектор швидкості звука всередині нерухомої повітряної маси;

- вектор радіальної швидкості повітряної маси, обумовлений її переміщенням.

Якщо напрямок вітру складає з вектором швидкості звука всередині нерухомої маси кут , то сумарна швидкість розповсюдження звуку буде дорівнювати

.

Якщо заздалегідь знати (або виміряти незалежним способом) швидкість розповсюдження звука в нерухомому середовищі, то шляхом векторного віднімання її з результату вимірювань може бути визначена складова швидкості вітру вздовж траєкторії розповсюдження радіохвиль.

Рис.14.2 До пояснення принципу локаційно-акустичного зондування атмосфери: а – структура прямокутної хвилі, б – структура синусоїдальної хвилі; в – залежність коефіцієнту відбиття (дБ) від кількості акустичних хвиль в пакеті і від відношення .

У випадку гіпотетичної «прямокутної» акустичної хвилі (рис.14.2, а) квадрат модуля коефіцієнту відбиття (по потужності) визначається формулою

, (14.1)

де - довжина акустичної хвилі;

- довжина електромагнітної хвилі;

- коефіцієнт відбиття на межі середовищ 1 і 2;

- коефіцієнт відбиття на межі середовищ 2 і 3.

У випадку відбиття від поверхонь стиснення – розрядження необхідно користуватися достатньо складною методикою. Тут обмежимося тільки дослідженням формули (14.1), яка приводить до того, що максимум коефіцієнту відбиття має місце при

, (14.2)

де - ціле число. Таким чином, якщо виконується співвідношення (14.2), то буде мати місце акустичний резонансний відбивач, який володіє максимальним відбиттям при .

В реальних умовах доводиться мати справу з синусоїдальними акустичними хвилями, для яких резонансне відбиття відбувається при тому ж відношенні , що і для прямокутної хвилі, тобто при (рис.14.2, б). Для синусоїдальної акустичної хвилі коефіцієнт відбиття по потужності виражається формулою

, (14.3)

де - постійна відбиття для повітря;

- кількість хвиль в акустичному імпульсі;

- інтенсивність акустичної хвилі в точці відбиття;

Вт/см ² - еталонна інтенсивність акустичної хвилі.

Використовуючи формули (14.2) і (14.3), можна розрахувати залежність коефіцієнту відбиття по потужності від кількості хвиль в акустичному імпульсі і від відношення (рис.14.2, в). Аналіз (рис.14.2, в) показує, що резонансні властивості акустичного відбивача (ширина смуги) зворотно пропорційні кількості хвиль в акустичному імпульсі, а коефіцієнт відбиття по потужності пропорційний квадрату кількості хвиль. Таким чином, збільшення тривалості акустичного імпульсу збільшує рівень відбитого сигналу, але одночасно зменшує ширину смуги, утруднюючи настроювання акустичного відбивача в резонанс. Тривалість акустичного імпульсу вибирається з умови отримання потрібної дозволяючої здатності по дальності і визначається виразом

. (14.4)

Наведемо результати розрахунків, виконаних за формулою (14.1):

, м	2,5		7,5
, сек
, м
, сек

Радіолокаційно-акустична система зондування атмосфери (рис.14.3) являє собою сукупність, яка складається з РЛС з безперервним випроміненням і акустичного імпульсного випромінювача. Генератор акустичних коливань має систему автоматичного підстроювання частоти, яка керується сигналами генератора високої частоти з метою виконання співвідношення (14.2). Як правило, акустичний випромінювач розміщують у фокусі дзеркальної передаючої або прийомної радіолокаційної антени.

Рис.14.3 Блок-схема радіолокаційно-акустичної системи зондування атмосфери: 1 – високочастотний генератор передавача; 2 – ослаблювач; 3 – радіопередавач; 4 – смуговий фільтр і частотомір; 5 – система автоматичного підстроювання частоти акустичних коливань; 6 – генератор акустичних імпульсів.

Основне рівняння радіолокаційно-акустичної системи виражається співвідношенням

. (14.5)

Інтенсивність акустичної хвилі в точці відбиття визначається співвідношенням

, (14.6)

де - інтенсивність звука при вході у відбивальний шар;

- відстань від акустичного випромінювача до передньої межі відбивального шару;

- відстань від акустичного випромінювача до задньої межі шару;

- питомий коефіцієнт затухання акустичної хвилі.

З врахуванням співвідношення (14.6) вираз (14.5) може бути переписаний у вигляді

. (14.7)

На рис.14.4, а наведені залежності відношення від відстані при різних частотах акустичної хвилі ( сек, Вт/см ², м), розраховані за формулою (14.7). Пунктиром дані граничні значення при різних потужностях випромінених електромагнітних хвиль і чутливості приймача 135 дБ/мВт. На рис.14.4, б наведені залежності відношення від відстані при різних значеннях акустичної хвилі і сек. Пунктир відповідає граничному значенню для Вт і чутливості прийомного пристрою 140 дБ/мВт, які можуть бути реалізовані в сучасній апаратурі.

Аналіз залежностей на рис.14.4 показує, що при відносно малих потужностях випромінених радіохвиль дальність дії радіолокаційно-акустичної системи зондування незначна (до 1 км). Подальше збільшення дальності потребує значних збільшень потужності і тривалості акустичного імпульсу.

а б

Рис.14.4 Результати розрахунків: а – залежність від відстані при різних частотах акустичної хвилі і сек, Вт/см ², м; б – залежність від відстані при різних частотах акустичної хвилі і сек; 1 - кГц; 2 - кГц; 3 - кГц; 4 - кГц; 5 - кГц; 6 - кГц; 7 - кГц;

На закінчення розглянемо деякі можливі застосування радіолокаційно-акустичних систем.

1. За допомогою радіолокаційно-акустичної системи може бути визначена радіальна швидкість вітру за значенням допплерівської частоти, яка зв’язана з радіальною швидкістю розповсюдження акустичного імпульсу співвідношенням

.

Якщо заздалегідь знати значення , то може бути отримана радіальна складова швидкості вітру. Величина може бути обчислена за відомими значеннями метеорологічних елементів або легко виміряна за допомогою цієї ж радіолокаційно-акустичної системи. Для отримання достатньо зробити вимірювання допплерівської частоти при акустичному зондуванні в двох протилежних напрямах. У цьому випаду

. (14.8)

Провівши радіолокаційно-акустичне зондування в трьох напрямках під деякими кутами один до одного або одночасно декількома системами, можна отримати вектор абсолютної швидкості вітру.

2. За допомогою радіолокаційно-акустичної системи може бути отриманий профіль температури вздовж напрямку радіопроменю. Така можливість випливає з наближеного виразу, який зв’язує швидкість розповсюдження акустичної хвилі з параметрами атмосфери

, (14.9)

де - швидкість звука в сухому повітрі і при нормальному тиску,

м/сек;

- температура повітря, ºС.

Профіль може бути отриманий вимірюванням і у відповідності з формулою (14.9). Профіль температури вздовж напрямку радіопроменю буде визначатися виразом

.

3. За допомогою радіолокаційно-акустичної системи може бути отриманий профіль вологості повітря (пружності водяної пари) вздовж напрямку радіопроменю. Зв’язок швидкості розповсюдження звука з вологістю повітря визначається співвідношенням

,

де - парціальний тиск водяної пари, мбар;

- температура повітря, ºС.

Знаючи профіль температури за незалежними результатами вимірювань іншими засобами, наприклад, засобами температурного зондування, за результатами вимірювань (вираз 14.8) може бути визначений профіль вологості. Способи застосування радіолокаційно-акустичних систем не обмежуються викладеними можливостями і можуть служить основою ряду спеціальних задач.

Контрольні запитання:

1. Які бувають системи радіозондування?

2. Чим визначається положення радіозонду в просторі?

3. Які системи координат використовуються під час радіозондування атмосфери?

4. Що відіграє роль передавача радіотелеметричного каналу в сучасних радіолокаційних системах зондування?

5. Які технічні характеристики має система «Метеор»?

6. На якій довжині хвилі працює система «Метеор»?

7. В якому режимі працює система «Метеор»?

8. Що являє собою радіозонд типу РКЗ-2?

9. Які метеовеличини вимірює радіозонд РКЗ-2?

10. Що включено до складу вимірювального генератора з метою усунення похибки вимірювання?

11. Що являє собою система зондування «Метеорит-2»?

12. В чому полягає відмінність системи «Метеорит-2» від системи «Метеор»?

13. Які технічні характеристики має система «Метеорит-2»?

14. В чому полягає відмінність радіозонду РКЗ-5 від РКЗ-2?

15. Що використовують для живлення радіозондів?

16. В чому полягає суть радіолокаційно-акустичного зондування атмосфери?

17. На чому базується радіолокаційно-акустичний метод зондування атмосфери?

18. Чи можна розрахувати залежність коефіцієнта відбиття з потужності від кількості хвиль в акустичному імпульсі?

19. Запишіть основне рівняння радіолокаційно-акустичної системи?

20. З яких частин складається радіолокаційно-акустична система?

Дата добавления: 2015-10-13