Способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере

ЕТЕН Н ОП АВ измеритель и может быть ного опреде булентности в=2 ж/ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт оптики атмосферы Томского филиала СО АН СССР(56) Дрофа А.С, Определение некоторых параметров турбулентности из оптических измерений. - Изд. АН СССР, серия "Физика атмосферы и океана", 1979, т. 15, гв 5, с. 524, .Гурвич А.С, и др, Лазерное излучение втурбулентной атмосфере. М., Наука, 1976, с. 141, (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО МАСШТАБА ТУРБУЛЕНТНОСТИ В АТМОСФЕРЕ путем посылки в заданную область атмосферы двух параллельных лаИзобретение относится кной технике в метеорологиииспользовано для дистанционления внешнего масштаба туратмосфере.Известен способ определения внешнего масштаба турбулентности по форме спектра флуктуаций пучка оптического излучения путем измерения средней скорости ветра и дисперсии этой скорости.Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере путем измерения коэффициента корреляции смещения центров тяжести двух когерентных, коллимированных, параллельных гауссовых .лазерных пучков, распространяющихся по однородной трассе, имеющих в начальной плоскости одинаковые размеры и разнесенных в плоскости,е 1135318 А 1зернцх пучков, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений, в исследуемую область атмосферы посылают перекрывающиеся лазерные пучки, разность частот которых лежит в звуковом диапазоне, определяют ширину спектра мощности возникшего акустического сигнала, принимают прошедшее акустическое излучение, измеряют мощность принятого сигнала и спектральную мощность на разностной частоте посланных излучений, по отношению измеренных величин определяют ширину спектра принятого сигнала и по изменению ширины спектра принятого акустического сигнала относительно возникшего определяют внешний масштаб турбулентности в атмосфере. перпендикулярной направлению распространения на расстояние, большее поперечного размера пучка и равное удвоенной высоте пучков над подстилающей поверхно- ф стью. По измеренному значению коэффици- а ента корреляции при известных начальных (,Д диаметрах пучков и разносе между ними (Л вычисляется волновое число к 0 и определя- ( ) ется внешний масштаб турбулентности, связанный с к 0ОО Ограниченность данного метода вызвана тем, что требуется дополнительная коллимация пучков, необходимо измерять малые значения координат смещения центра тяжести пучков, измерять координаты центров тяжести одновременно двух пучков, что усложняет конструкцию необходимой аппаратуры. Описанный метод непозволяет измерять большие значениявнешнего масштаба турбулентности, соответствующие случаю устойчивой атмосферы. Кроме того, чтобы произвестиизмерения внешнего масштаба турбулентности на какой-либо высоте над поверхностью земли или же под каким-либо углом кповерхности земли, возникает необходимость поднимать либо приемники лазерного излучения, либо передатчики лазерного 10излучения на специальных устройствах (вышки, аэростаты, самолеты),Целью изобретения является дистанционное измерение внешнего масштаба турбулентности и расширение диапазона 15измерений,Для достижения поставленной цели вспособе определения внешнего масштабатурбулентности в атмосфере путем посылкив заданную область атмосферы двух параллельных лазерных пучков в исследуемуюобласть атмосферы посылают перекрывающиеся лазерные пучки, разность частот которых лежит в звуковом диапазоне,определяют ширину спектра мощности вознизшего:. акустического сигнала, принимают прошедшее акустическое излучение,измеряют мощность принятого сигнала испектральную мощность на разностной частоте посланных излучений, по отношению 30измеренных величин определяют ширинуспектра принятого сигнала и по изменениюширины спектра принятого акустическогосигнала относительно возникшего определяют внешний масштаб турбулентности в 35атмосфере,На фиг. 1 изображена схема устройства,реализующего данный способ; на фиг. 2 -блок-схема устройства, где 1 и 2 - лазерныепередатчики, оси излучений которых параллельны, а диаграммы направленностей пересекаются в заштрихованной области, 3 -остронаправленная антенна акустическогоприемника, ориентированная перпендикулярно осям лазерных передатчиков, Ь - расстояние между лазерными передатчиками иакустическим приемником.Источником звука в данном способе будет одновременно вся область перекрытиялазерных излучений, и можно считать, что 50цилиндрическая волна звука возникает одновременно вдоль всей оси области перекрытия лазерных пучков при импульснойработе лазеров, так как скорость света много больше скорости звука. Проведение измерения внешнего масштабатурбулентности в атмосфере осуществляется следующим образом. Лазерные источники 1 и 2 излучают энергию в узких пучках под углом а к горизонту, В области перекрытия(1+),(2) где Ь и Ьо - соответственно ширина спектра мощности принятого и возникшего акустического сигнала, определяемая как(К)ОК = В - мощность принятого акустического сигнала;Ь - пиковое значение принимаемой мощности на частоте 18 к,а =Ч/с, (4) Ч - средний поперечный направлениюприема акустической волны ветер; пучков возникает акустическая волна на раэностной частоте излучений лазеров 18 к=Ь - 11. Возникшая цилиндрическая акустическая волна принимается узконаправленной приемной антенной 3, ориентированной под углом, близким 90 к посылаемым лазерным пучкам, так как при этом угле обеспечивается максимальная дальность, Измеряется мощность принятого акустического сигнала и спектральная мощность на разностной частоте посланных излучений, определяется величина спектра принятого акустического сигнала, а об искомом параметре судят по уширению спектра мощности принятого акустического сигнала относительно возникшего.В атмосфере при одновременном распространении двух параллельных монохроматических лазерных излучений с близкими частотами 11 и 12 в области перекрытия в результате нелинейного их взаимодействия будет генерироваться мощное акустическое излучение частоты Гзк = 12 - 11, направление распространения. которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны - цилиндрический. Осуществляя посылку лазерных импульсов под углом а к поверхности земли, можно зарегистрировать: мощность прошедшего акустического сигнала, возникшего на дальности посылки лазерных излучений и прошедшего через атмосферу, помещая акустический приемник на некотором расстоянии Ь от лазерных передатчиков и ориентируя его приемную; антенну перпендикулярно оси лазерных пучков. При этом мощность возникшего акустического излучения пропорциональна произведению амплитуд лазерных излучений. При распространении акустической волны через атмосферу спектр мощности ее будет уширяться. Величина такого уширения записывается каксо - скорость звука, определяемая квк со = 20,05 1 Г, (5) К - 2 л/ Л - волновое число;Л - длина волны;Т - абсолютная температура;1 - пространственная полуширина возникшего акустического импульса,т = 2/со - длительность возникшего звукового импульса; (6)Ь - внешний масштаб турбулентности.Переписывая (2) относительно 4) и подставляя вместо т из (6) получим Ь с Чт2 Хь (7)3 /Т ГС-,)где с - -Г .-, Г)х) - гамма-функция, ЬЬ = Ь - Ьо - уширение спектра мощности принятого акустического сигнала относительно возникшего. Измеряя мощность принятого акустического сигнала и спектральную мощность на частоте 1 ак, определяют ширину спектра мощности принятого акустического сигнала по формуле (3). Априори зная о среднем поперечном направлению приема акустического излучения ветре можно определить внешний масштаб турбулентности по формуле Я.Для С 02-лазера с круговой частотой излучения 2 10 рад/с (длина волны 10,6 мкм) при мощности лазерных излучений 100 Вт будет генерироваться акустическая мощность 0,2 МВт. При наихудшихусловиях распространения лазерного и акустического излучений дальность зондирования будет .не менее 9 км при ак = 500 Гц, а - 45 О ( а - угол посылки лазерных излучений, отсчитываемый от поверхности земли).Лазерные источники могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме излучения. Предположим, что используется импульсный режим работы. Тогда минимальная длительность возникшего акустического импульса в направлении 90 относительно посылаемых лазерных пучков будет определяться шириной области перекрытия лазерных пучков на.данной высоте Н от поверхности земли (см. фиг. 1), которая при малом расстоянии между лазерными источниками и малых углах расходимости пучков имеет величину0 Ь залпа созаз 1 пасо0 й созаЮЛБ Л (8) Максимальная длительность возникшего акустического импульса будет определяться(1 О) 30 где ЛЬ = Ь - л/т . (12) 40 Формула (11) является расчетной при реализации алгоритма способа при этом, когда длительность импульса лазерных источников больше, чем величина тмин иэ (8), то в формулу(12) при расчете ЬЬ подставляется 45 т, равное длительности импульса лазерныхисточников. Если длительность импульса лазерных источников меньше, чем величина гмин иэ (8), то в формулу (12) подставляется значение гмин, рассчитанное.по формуле 50 (8)Априорное знание поперечного среднего ветра можно получить из параллельных измерений вектора скорости ветра, например, лидаром или акустическим локатором,Способ осуществляется с помощью устройства, изображаемого на фиг, 2, где 1 - СОг-лазер, работающий на частоте 11 = 2,9 х х 10 Гц (что соответствует Л = 10,6 мкм); 2 - СО 2-лазер, работающий на частоте 12 = т 1 ф 5 10 15 20 25 длительностью посылки лазерных излучений. Звуковой импульс в области перекрытия лазерных пучков возникает и оканчивается с момента начала и прекращения посылки лазерных излучений. Поскольку скорость звука много меньше скорости света, то передний и задний фронты возникающего звукового импульса будут достаточно крутыми, чтобы считать форму возникшего звукового импульса прямоугольной. Ширина спектра мощности такого звукового импульса описывается соотношениемЬо = "га/ф (9) В случае непрерывной работы лазерных источников ширина спектра мощности возникшего акустического излучения будет определяться в основном стабильностью частот излучения лазеров, которая с применением комбинированной системы активной стабилизации частоты для ОКГ составляет 10 Гц. Такой шириной спектра мощности возникшего акустического излучения можно пренебречь.Формула Р) для случая непрерывной работы лазерных источников упростится и примет вид поскольку т- к)и ж/т-ф О.В случае импульсной работы лазерных источников с учетом (9) формула (7) перепишется так1-= -ъг (11)+ ак, 3 - остронаправленная антенна акустического приемника, в качестве которой может быть использована решетка электро- акустических преобразователей; 4-синхронизатор; 5 - измеритель мощности; 6 - 5 узкополосный фильтр, настроенный на частоту 1; 7-делитель напряжений; 8 - вычислительное устройство,Электрический сигнал, возникающий в 10 электроакустических преобразователях антенны 3, попадает в измеритель мощности 5 и на фильтр 6. Делитель 7 производит деление напряжения, снимаемого с измерителя мощности 5 и пропорционального В, на 15 напряжение, снимаемое с фильтра 6 и пропорциональное 1 и. Напряжение, пропорциональное Ь, снимается с делителя 7 и попадает в вычислительное устройство 8. Данные о длительности импульса лазерных 20 источников поступают в вычислительное устройство 8 с синхронизатора 4. Информация о среднем векторе скорости ветра по трассе распространения возникающего акустического излучения поступает в вычисли тельное устройство 8 от внешних источников данных (таких, например, как лидар для измерения профиля скорости ветра), Скорость среднего ветра, поперечного направлению приема акустического сигна ла, определяется в вычислительном устройстве 8 как проекция среднего вектора скорости ветра, поступающая извне, на нормаль к направлению приема акустической волны. Окончательный расчет внешнего мас штаба турбулентности проводится по формуле (1 1) в вычислительном устройстве 8,В случае непрерывной работы лазерных источников необходимость в синхрониэаторе отпадает, фТаким образом, способ позволяет оперативно следить за величиной внешнего масштаба турбулентности в слое атмосферы, вплоть до высот более 9 км, причем диапазон изменения измеряемой величины простирается до максимально физически возможных величин, наблюдаемых в реальной атмосфере.В настоящее время следят за состоянием турбулентности в атмосфере, в частности за внешним масштабом турбулентности, используя промышленно изготовляемые датчики скорости ветра и температуры, Но подобные измерения имеют малую точность, поскольку датчики (особенно температуры) имеют большое время усреднения, а отыскание расстояния, на котором находящиеся на разных уровнях по вертикали датчики температуры покажут одинаковый квадрат градиента средней температуры и измерение дисперсии пульсаций разности температур на этих же уровнях - задача трудоемкая и требующая значительного времени. Кроме того, для проведения дистанционных измерений, а также измерения больших масштабов турбулентности потребовалось бы поднимать датчики от поверхности земли и устанавливать их на мачты, аэростаты и пр.Таким образом, базовый обьект обладает рядом существенных недостатков, от ко-, торых свободен предлагаемый способ измерения внешнего масштаба турбулентности..Заказ 1961 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5