NO301141B1 - System for deteksjon og måling av atmosfæriske bevegelser - Google Patents

Abstract

System for deteksjon og måling av irregulariteter i atmosfæriske luftbevegelser slik som vindhastighets-vektor, vindskjær, fallvind, klarluft-turbulens, flygenererte virvler og turbulens, særlig langs en glidebane nær lufthavner, hvorved et luftvolum (4) under undersøkelse blir belyst av en radiobølge-sender (1) med en stråle av i det vesentlige koherent elektromagnetisk energi og et resulterende bølgefelt blir mottatt og prosessert i prosesseringsmidler for å trekke ut informasjon om eksistensen av de nevnte atmosfæriske irregularitetene og dessuten gi spesifikke målinger av relaterte parametrer, omfattende minst én mottager (3) for det resulterende bclgefeltet, som kommer av spredning i det nevnte luftvolumet (), plassert i en bistatisk posisjon med en valgt avstand fra senderen (1) , og kjennetegnet ved en akustisk senderinnretning (2) plassert mellom senderen og mot-tageren (e) innrettet for å sende akustiske balger inn i luftvolumet '(4) , med frekvens og strålebredde for de akustiske bølgene valt slik at en resulterende forstyrrelse i luftens dielektriske konstant i luft-volumet bidrar til spredningen.

Description

Denne oppfinnelsen angår et system for måling og deteksjon av hastighet, turbulens, virvler og lignende irregulariteter og fenomener i luft, inkludert klassifisering av slike fenomener. Disse kan omfatte vindhastighet, klarluft-turbulens såvel som fly-induserte virvler og turbulens. Deteksjon og måling er tenkt utført ved å kombinere elektromagnetiske og akustiske bølger.

Oppfinnelsen omfatter et system for sender- og mottaker-innretninger for elektromagnetiske bølger og senderinnret-ninger for akustiske bølger, samt en tilhørende fremgangsmåte .

Oppfinnelsen er primært rettet mot måling av de nevnte fenomener som påvirker sikkerheten i forbindelse med luft-trafikk, men kan lett tilpasses andre bruksområder.

Denne typen fenomener har blitt målt før ved måling av spredning og Doppler-skift i elektromagnetiske stråler når de blir påvirket av forstyrrelser i luften. Et eksempel på dette er gitt i den internasjonale patentsøknaden WO 93/19383 der elektromagnetiske sendere og mottakere anvendes. Den elektromagnetiske strålen sendes ved en mikrobølgefrekvens og blir spredt av forstyrrelser i luften. Mottaker-innret-ningen (e) er plassert i en bistatisk posisjon og rettet slik at de(n) dekker et volum i luften som også er dekket av senderen, og slik at signalene mottas ved en (fortrinnsvis lav) spredningsvinkel.

Spredning av elektromagnetiske bølger fra akustiske bølger er diskutert i Appl. Sei. Res. Section B, Vol. 6, 1957 av A. Tonning: "Scattering of electromagnetic waves by an acoustic disturbance in the atmosphere". Publikasjonen dis-kuterer tilfeller med sfæriske og plane akustiske bølger.

Denne publikasjonen nevner at akustiske bølger danner forstyrrelser i luftens dielektriske konstant ved å forandre dens tetthet.

US patent 4.351.188 viser et system for måling av vindhastighets-profil ved hjelp av en kombinasjon av elektromagnetiske og akustiske bølger. De elektromagnetiske bølgene reflekteres ved innsiden av kuleskall dannet av de akustiske bølgene tilbake til en oppstilling av mottagere. Tidsforløpet og plasseringen av refleksen gir et bildet av vindprofilen. Tilsvarende løsninger er også vist i US 4.761.650 og 4.222.265.

Løsningen som er beskrevet i US-patentene krever at sendere og mottagere er plassert nær hverandre. Dette gjør det umulig å bruke metoden for overvåking av vindforholdene ved flyplasser og lignende.

Denne oppfinnelsen er basert på at i det vesentlige periodiske akustiske bølger danner et gitter i luftens dielektriske egenskaper. Gitteret vil tilfredsstille Bragg-betingelsene for bestemte kombinasjoner av akustiske og elektromagnetiske frekvenser og dermed reflektere en del av den elektromagnetiske energien mot mottakerne. Luftbevegelser som forandrer eller beveger gitteret vil dermed kunne måles. De nye og særegne trekkene ved oppfinnelsen er angitt mer fullstendig i kravene.

De forskjellige bevegelsene i luften vil påvirke gitteret på forskjellige måter. Luft som beveger seg parallelt med forplantningsretningen for den akustiske energien vil forandre gitterets tetthet, og luft som beveger seg normalt på den akustiske energien vil forskyve gitteret. Ved å måle parametrer som akustiske eller elektromagnetiske frekvenser, eller forskyvning eller innfallsvinkel for de mottatte elektromagnetiske bølgefrontene kan luft-hastighet og -retning finnes.

Oppfinnelsen og de resulterende fordelene vil bli for-klart mer i detalj i den følgende beskrivelsen med henvisning til tegningene, i hvilke: Figur 1 illustrerer skjematisk et system ifølge oppfinnelsen, med elektromagnetiske og akustiske sendere, og mottaker-innretninger for elektromagnetisk energi. Figur 2a illustrerer det akustiske frekvensområdet som tilfredsstiller Bragg-betingelsene i en situasjon uten vind. Figur 2b illustrerer forandringen i akustisk frekvens som tilfredsstiller Bragg-betingelsene når gitteret blir påvirket av en vind parallelt med den akustiske strålen. Figur 3 viser systemet og metoden ifølge oppfinnelsen der to mottakere anvendes for å detektere innfallsvinkelen for den elektromagnetiske strålen. Figur 4 viser systemet/metoden der minst tre mottakere anvendes for å måle formen på den mottatte bølge-fronten. Figur 5 illustrerer geometrien ved måling av tidsfor sinkelsen for det elektromagnetiske signalet. Figur 6 illustrerer forskyvningen av gitteret på grunn av vind som beveger seg normalt på den akustiske strålen. Figur 7 viser et fullstendig oppsett for måling av vind som beveger seg på tvers av den akustiske strålen, der mer enn en mottaker brukes for å måle forskyvningen av den elektromagnetiske strålen. Figur 1 illustrerer det generelle oppsettet ifølge oppfinnelsen, med en sender 1 for elektromagnetiske bølger, sender-innretninger 2 for sending av akustiske bølger, og mottaker-innretninger 3 mottak av spredte elektromagnetiske bølger. Mottaker- og sender-innretningene peker alle mot samme luft-volum 4.

De elektromagnetiske bølgene blir sendt i retning av det valgte luft-volumet 4, der de påvirkes av de akustiske bølgene og danner et gitter som, ved Bragg-refleksjon, reflekterer i det minste en del av den elektromagnetiske energien mot mottakeren(e) 3.

Normalt vil den elektromagnetiske senderens og mottak-erens elevasjons-vinkler være mindre enn de som er vist i figuren. Avstanden mellom den elektromagnetiske senderen l og den akustiske senderen 2 er tilsvarer fortrinnsvis avstanden mellom den akustiske senderen 2 og mottakeren(e) 3, og de(n) akustiske senderen(e) ' s er nær 90°. Ideelt spenner strålene fra senderne 1,2 og mottakeren(e)s 3 dekningsområde ut et i det vesentlige felles plan.

I en første utførelse av oppfinnelsen forandres refleksjonsbetingelsene av en endring i gitterets tetthet på grunn av bevegelser i luften, og signalet forsvinner fra mottakeren 3. Denne endringen kompenseres for ved å variere den emitterte akustiske frekvensen inntil det elektromagnetiske signalet igjen blir mottatt av mottakeren. Lufthastig-heten som tilsvarer denne endringen i frekvens blir funnet ved å studere ligningen som beskriver Bragg-betingelsene:

der Faco er den akustiske frekvensen, Frf er den elektromagnetiske frekvensen, caco er lydhastigheten, crf er lyshastigheten, og 6 er vinkelen mellom den sendte og reflekterte elektromagnetiske strålen.

Når vinden påvirker gitteret har vi:

der V er komponenten av luft-hastigheten i den akustiske bølgens forplantningsretning.

Den akustiske bølgen har en strålebredde 3, og mottakeren dekker en vinkel i omtrent samme størrelsesorden. Sammen dekker de et bestemt område i luften som skal måles. Siden den elektromagnetiske energien blir reflektert i dette volumet er refleksjonsvinklene begrenset til maksimum 6^ og minimum 00 mellom de utsendte og de mottatte elektromagnetiske bølgene. Dette begrenser i sin tur det anvendbare akustiske frekvensområdet.

For å måle vind som beveger seg parallelt med den akustiske bølgen ved bruk av koblingen mellom elektromagnetiske og akustiske bølger må volumet i atmosfæren bestråles med en RF-sender og overvåket av en RF-mottaker bli modulert av akustiske bølge i frekvensområdet fra

til

der 60 er den minste vinkelen mellom den elektromagnetiske strålen og sektoren som dekkes av mottakeren, slik som vist i figur 1. Figur 2a illustrerer området av akustiske frekvenser når det ikke er vind.

Forskjellen i akustisk frekvens på grunn av den forandringen i gitteret som forårsakes av vinden kan uttrykkes som:

Denne endringen i frekvens blir illustrert i figur 2b.

Ved å emittere akustiske frekvens-sveip, fortrinnsvis startende ved den høyeste frekvensen, og korrelering av det mottatte signalet med det utstrålte akustiske signalet kan

vindhastigheten ved en bestemt høyde bestemmes. Ved å integ-rere dette over frekvensene i det akustiske signalet kan vind som funksjon av høyden finnes. En tilsvarende metode kan anvendes ved å variere den elektromagnetiske frekvensen.

Forandringen i gitteret kan selvsagt også måles ved å måle forskjellen i vinkelen i hvilken den elektromagnetiske energien blir mottatt. Bruk av mottaker-innretninger som kan måle den elektromagnetiske energiens innfallsvinkel vil dermed være en annen mulig variant innen denne oppfinnelsens rekkevidde.

I et tilfelle er den akustiske frekvensen uten vind er tilpasset en radiofrekvens for spredningsvinkelen 60=2a0, slik som illustrert i figur 3. Dette krever en akustisk frekvens gitt ved

Ved en vindhastighet V for en fast akustisk frekvens vil den tilsvarende vinkelen bli og fra disse ligningene kan forandringen i innfallsvinkel finnes ved

Innfallsvinkelen kan måles ved å måle faseforskjellen i utgangs-signalet fra de to mottaker-antennene og anvende dette i den følgende ligningen:

der AØ=2Aa, F er radiofrekvensen, D er avstanden mellom antennene, A<t> er f ase-oppløsningen og c er radiobølgens fase-hastighet . Figur 4 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen for måling av den mottatte bølgefrontens form ved bruk av tre eller flere mottakere plassert i en vertikal oppstilling. En elektromagnetisk bølge blir spredt mot mottakeren ved en spredningsvinkel 60, og en bølge spredt med vinkelen 60+A6c blir destruktivt koblet med den første, hvilket betyr at bølgetallet i det andre tilfellet er forandret med en faktor 2. Dette kan uttrykkes som:

Dermed er forskjellen i spredningsvinkel som kreves for destruktiv kobling:

Ved å bruke ligning (8) og det faktum at A00V=2Aa0V+e0 er den minste innfallsvinkelen ved en vertikal vind-hastighet V finner vi at:

Substituering av 60v for 60 i ligning (11) gir bredden på vinkelen for det mottatte spekteret som funksjon av vind-hastigheten.

Den romlige korrelasjonen i feltstyrken ved mottakeren er den Fourier-transformerte av det angulære energi-spekteret. Ved å anta at dette kan uttrykkes som en sinc-funksjon er den romlige autokorrelasjonen av feltstyrken en rektang-ulær funksjon hvis bredde L er gitt ved:

fra ligningene ovenfor kan den vertikale korrelasjons-avstanden måles i bølgelengde som funksjon av vertikal vind-hastighet.

Måling av det utsendte signalets tidsforsinkelse og dermed den tilbakelagte avstanden for å finne vind-hastigheten er en annen teknikk innenfor rammene av denne oppfinnelsen. Med henvisning til figur 5 kan følgende uttrykk finnes:

der d er avstanden mellom senderen og mottakeren og 1 er lengden av den elektromagnetiske energiens bane.

Det er kjent at tidsforsinkelsen t kan skrives som x0=l0/c hvilket gir den følgende ligningen for den minste tidsforsinkelsen:

Fra ligning (8) vet vi at en økning i vind gir en økning i spredningsvinkel. Den tilsvarende økningen i tidsforsinkelse kan uttrykkes som:

der A6W kan finnes fra ligning (8) , siden A9w=2Aa+60.

Det kan også være interessant å beregne spredningen i det forsinkede spekteret. Dette er gitt ved:

der 3eff er den elektromagnetiske strålens effektive strålebredde. Denne seintillasjonsbåndbredden og den spektrale formen på den mottatte elektromagnetiske strålen indikerer mengden av forvrengning i det akustiske gitteret. Dette gir en indikasjon på graden av turbulens og andre små-skala forstyrrelser i luften som påvirker den akustiske strålen fra senderen og oppover til måle-området. Ved å variere de akustiske og elektromagnetiske frekvensene er det mulig å lage en profil av turbulensen fra den akustiske senderen til en valgt høyde.

Bevegelser i luften i det vesentlige normalt på både den akustiske og den elektromagnetiske strålen kan også måles med denne oppfinnelsen. Gitteret vil påvirkes av luft-bevegelsene ved å flytte seg sideveis og vil oppføre seg som om den akustiske kilden har flyttet seg, som vist i figur 6, en distanse Ax horisontalt, der

og H er høyden i hvilken målingen blir foretatt.

Den elektromagnetiske energien blir reflektert i en annen retning, og kan mottas i en annen posisjon som har flyttet seg en distanse Ax2:

der Rx er den horisontale distansen fra senderen til det målte området, og R2 er den horisontale distansen fra dette området til mottakerne, slik som vist i figur 7.

Ved å bruke en oppstilling av akustiske sendere og justering av deres frekvenser og/eller faser inntil den elektromagnetiske energien blir mottatt av mottakeren kan på denne måten bevegelsene i luften normalt på den akustiske energien måles.

Alternativt kan en oppstilling med mottakere brukes for å måle forskyvningen av den mottatte energien.

I tilfellet med en vertikal gradient i kryss-vinden kan systemet måle den integrerte påvirkningen av vinden fra høyde null til det målte volumet. Hvis mer enn én akustisk sender brukes vil hver frekvens i den akustiske stimuleringen måle ved en høyde H, slik at den tilfredsstiller Bragg-betingelsene. Dermed vil utsending av flere akustiske frekvenser parallelt og sekvensielt gi informasjon om den horisontale vind-profilen.

På en tilsvarende måte vil vind i det vesentlige parallelt med den elektromagnetiske strålen bevege gitteret en distanse 6D. Dette kan måles ved å merke seg det faktum at hvis akustiske bølger bruker en tid t for å nå en høyde hs som tilfredsstiller Bragg-betingelsene i en situasjon uten vind vil bølgene bruke mer tid for å nå samme høyde hvis gitteret blir flyttet av vinden. Denne forsinkelsen kan måles ved å måle det akustiske signalets fase i spredningsvolumet.

Geometri gir det følgende uttrykket:

For en homogen vind-profil har spredningsvolumet blitt flyttet en distanse der ca er den gjennomsnittlige horisontale vinden fra bakken til spredningsvolumet. Distansen som er tilbakelagt av det akustiske signalet er og den akustiske fasen cp=Kacohv/ der Kaco er bølgetallet. Ved bruk av dette og ligningene 21 og 22 blir ligningen for det akustiske signalets fase:

Fra denne ligningen kan den horisontale vind-hastigheten Vy finnes ved å måle fasen for de spredende akustiske bølgene.

For å måle den akustiske fasen må de elektromagnetiske mottaker-innretningene synkroniseres med den akustiske kilden.

Lyd-hastigheten, som er en faktor i mange av ligningene ovenfor, er avhengig av luftens temperatur. Det kan derfor være nødvendig å måle temperaturen i luften over den akustiske senderen. Dette blir fortrinnsvis gjort ved bruk av standard RASS-teknologi, ved måling av akustiske signaler spredt tilbake til den akustiske senderen.

Et mulig problem ved mottaket av det elektromagnetiske signalet er å eliminere støy fra sendte elektromagnetiske signaler som ikke har blitt spredt i det nevnte luft-volumet. Dette kan være elektromagnetiske bølger som blir mottatt direkte fra senderen eller bølger som blir spredt av andre prosesser. For å unngå dette kan mottakeren faselåses til den transmitterte elektromagnetiske frekvensen minus den transmitterte akustiske frekvensen.

Ved å bruke mer enn én elektromagnetisk frekvens samtidig kan romlig informasjon innhentes. Hvis informa-sjonen, slik som frekvens eller fase, i den emitterte elektromagnetiske strålen varierer i retningen normalt på dennes forplantingsretning, vil det være mulig å identifisere den delen av strålen som blir reflektert fra de forskjellige delene av det målte volumet. Når denne oppfinnelsen brukes i forbindelse med kontroll av luft-trafikk kan en allerede eksisterende ILS-sender anvendes.

Claims (15)

1. System for deteksjon og måling av irregulariteter i atmosfæriske luftbevegelser slik som vindhastighets-vektor, vindskjær, fallvind, klarluft-turbulens, flygenererte virvler og turbulens, særlig langs en glidebane nær lufthavner, hvorved et luftvolum (4) under undersøkelse blir belyst av en radiobølge-sender (1) med en stråle av i det vesentlige koherent elektromagnetisk energi og et resulterende bølgefelt blir mottatt og prosessert i prosesseringsmidler for å trekke ut informasjon om eksistensen av de nevnte atmosfæriske irregularitetene og dessuten gi spesifikke målinger av relaterte parametrer, omfattende minst én mottager (3) for det resulterende bølgefeltet, som kommer av spredning i det nevnte luftvolumet (4), plassert i en bistatisk posisjon med en valgt avstand fra senderen (l), og også omfattende en akustisk senderinnretning (2) plassert mellom senderen og mottageren(e) innrettet for å sende akustiske bølger inn i luftvolumet (4), karakterisert ved at de akustiske bølgenes frekvens og strålebredde velges slik at det genereres en forstyrrelse i luftens dielektriske konstant i luftvolumet (4), hvilken forstyrrelse bidrar til den nevnte spredningen, og at frekvensen blir valgt slik at forstyrrelsen i den dielektriske konstanten danner et i det vesentlige periodisk gitter som tilfredsstiller Bragg-betingelsene for den utsendte elektromagnetiske energien og derved reflekterer den elektromagnetiske energien i retning av mottageren(e), og ved at avstanden mellom den akustiske senderinnretn-ingen (2) og luftvolumet (4) er mindre enn avstanden mellom den elektromagnetiske senderen (1) og den akustiske sender-innretningen (2).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den akustiske sender-innretningen (2) er plassert nær aksen mellom den elektromagnetiske senderen (l) og mottageren(e) (3), og at den genererte elektromagnetiske strålen, den genererte akustiske strålen og den reflekterte elektromagnetiske strålen i det vesentlige danner et plan.

3. System ifølge krav l eller 2, karakterisert ved at det akustiske signalets frekvens er variabel.

4. System ifølge krav 3, karakterisert ved at det akustiske signalet består av frekvens-sveip, fortrinnsvis begynnende ved den høyeste frekvensen, der hvert sveip omfatter frekvenser som tilfredsstiller Bragg-betingelsene ved et gitt område av høyde-intervalier.

5. System ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at den akustiske sender-innretningen (2) omfatter to eller flere akustiske sendere i en én- eller todimensjonal oppstilling, hvilke sendere hver kan sende ved flere forskjellige frekvenser.

6. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den elektromagnetiske senderen (1) er innrettet for å sende elektromagnetiske radiobølger ved én eller flere variable frekvenser, og at minst én mottager (3) er innrettet for å detektere frekvensen eller frekvensene i det mottatte signalet.

7. System ifølge krav 6, karakterisert ved at den elektromagnetiske senderen (1) er en ILS-sender.

8. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det omfatter minst to mottagere (3) innrettet for detektering av frekvens, fase og/eller innfallsvinkelen på det reflekterte elektromagnetiske signalet, for derved å kunne lokalisere den målte luft-bevegelsen innenfor det undersøkte luft-volumet (4) .

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved at det omfatter minst tre mottagere (3), hvorved formen på bølgefeltet kan måles og graden av små-skala forstyrrelser og turbulens i luftvolumet (4) kan måles.

10. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det omfatter midler for måling av tiden brukt av den elektromagnetiske energien fra senderen (l) til mottageren(e) (3).

11. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det omfatter midler for måling av den spektrale strålebredden og den spektrale formen på den mottatte elektromagnetiske energien for å måle og klassifisere turbulens og andre forstyrrelser mellom den akustiske senderen (2) og spredningsvolumet (4).

12. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den/de elektromagnetiske mottageren(e) er faselåst til den genererte elektromagnetiske frekvensen minus den genererte akustiske frekvensen.

13. Fremgangsmåte for måling av vindkomponenter langs retningen av en elektromagnetisk stråle ved bruk av et system ifølge et eller flere av kravene 1-12, karakterisert ved bruk av de mottatte elektromagnetiske radiobølgene for måling av det gjennomsnittlige akustiske faseskiftet i den genererte akustiske signalet på grunn av vindens forskyvningen av det nevnte luftvolumet (4), for derved å beregne vind-hastigheten.

14. Fremgangsmåte for måling av vindprofil ved bruk av et system ifølge et eller flere av kravene 1-12, karakterisert ved at luftbevegelsene i luft-volumet, som har komponenter som er parallelle med den akustiske energiens forplantningsretning, blir målt ved hjelp av én eller flere av de følgende teknikkene: i) måling av innfallsvinkelen for den spredte elektromagnetiske energien som funksjon av den genererte akustiske frekvensen, ii) detektering av hvilke akustiske frekvenser som resulterer i forstyrrelser som bidrar til spredning av elektromagnetisk energi mot mottageren(e), og beregning av hastighetene og høyden for luftbevegelsene basert på den detekterte akustiske frekvensen og tidsfordelingen av genererte og mottatte akustiske frekvenser, iii) måling av forsinkelsen for den elektromagnetiske energien som er spredt i luftvolumet (4) som funksjon av akustisk frekvens, og iv) måling av korrelasjons-avstanden for det mottatte bølge-feltet og beregning av spredningsvolumets (4) vertikale dimensjoner.

15. Fremgangsmåte for måling av vindprofil ved bruk av et system ifølge et eller fler av kravene 1-12, karakterisert ved at luftbevegelsene med komponenter normalt på den genererte akustiske energien blir målt ved å måle forskyvningen av forstyrrelsene i luftens dielektriske konstant på grunn av bevegelser i luften, ved bruk av en av de følgende metodene: i) ved å generere forskjellige frekvenser ved forskjellige steder i en akustisk sender-oppstilling (4) og korrelering av innfallsvinkelen for det mottatte elektromagnetiske signalet med frekvensen til det forskøvne, spredende akustiske signalet, eller ii) ved måling av forskyvningen av det mottatte elektromagnetiske signalet som funksjon av innfallsvinkler og/eller variable, genererte akustiske frekvenser.