ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 2, с. 180-195
УДК 551.596.1
ИЗУЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ЧАСТИЧНЫХ ОТРАЖЕНИЙ
© 2013 г. В. Г. Перепёлкин, С. Н. Куличков, И. П. Чунчузов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер.3 E-mail: vitaliper54@gmail.com Поступила в редакцию 21.07.2011 г., после доработки 21.11.2011 г.
На основе моделей переходного и симметричного слоя Эпштейна получены выражения для коэффициента частичного отражения K от слоистых неоднородностей в пограничном слое атмосферы в зависимости от трех безразмерных параметров: относительной высоты слоя, относительной толщины слоя и относительного изменения эффективной скорости звука в слое. Получены выражения для относительной высоты слоя, на которой возникает полное внутреннее отражение, и исследовано поведение функции K на высотах, близких к этому значению. Показано существенное ослабление зависимости коэффициента K от относительной толщины слоя в этих условиях, что позволяет регистрировать частично отраженный сигнал в широком диапазоне длин волн или частот зондирующего сигнала. В остальных случаях коэффициент частичного отражения K существенно зависит от толщины слоя. По экспериментальным данным об изменении амплитуды принимаемых акустических сигналов с ростом расстояния источник—приемники была разработана методика параметризации дополнительного импедансного ослабления звука, распространяющегося над земной поверхностью, и получены экспериментальные оценки этих параметров для различных условий стратификации и частоты зондирующего сигнала. Были выделены и систематизированы множество записей фоновых акустических шумов, характерных для того или иного места измерений, разработана методика оценки минимальной амплитуды сигнала, различимой на фоне шумов и проведены соответствующие оценки. На основе полученных данных и технических характеристик трех различных, выпускаемых промышленностью акустических источников были получены оценки предельных параметров метода частичных отражений, обеспечиваемых этими источниками.
Ключевые слова: атмосферная акустика, частичное отражение, дистанционное зондирование, тропосфера, мезомасштабные неоднородности.
Б01: 10.7868/80002351513010070
ВВЕДЕНИЕ
Метод частичных отражений относится к классу бистатических методов [1, 2] и использует явление частичного отражения акустических сигналов от слоистых неоднородностей поля скорости ветра и температуры в атмосфере (под словом "бистатический" здесь следует понимать наличие определенного пространственного разнесения источника и приемников акустического сигнала). Сравнительный обзор современных методов акустического зондирования атмосферы и подробное описание дистанционного акустического метода частичных отражений приведены в работе [2].
Данная статья является продолжением цикла работ, начатых в [2]. В отличие от предыдущей работы [2], здесь ставится задача определить усло-
вия эксперимента, при которых возможна надежная регистрация информативного частично отраженного сигнала. Эта задача является исключительно важной, так как в методе частичных отражений необходимо зарегистрировать акустический сигнал, имеющий амплитуду, существенно меньшую амплитуды исходного зондирующего импульса, к тому же уже ослабленного за счет сферической расходимости на пути от источника к отражающему слою и от отражающего слоя к приемникам. Величина коэффициента частичного отражения звука от неоднородностей в пограничном слое атмосферы также весьма незначительна и принимает значения в единицы процентов. Поэтому амплитуда регистрируемого сигнала оказывается значительно (на несколько
порядков) меньше зондирующего сигнала. В то же время минимальный уровень сигнала, который можно надежно зарегистрировать и идентифицировать для последующей обработки, ограничивается уровнем фоновых акустических шумов, которые всегда присутствуют и, как правило, на порядки больше естественных электрических шумов микрофонных усилителей.
Малые значения амплитуды сигнала при наличии акустических шумов накладывают определенные ограничения на применимость метода частичных отражений и жесткие требования как к условиям эксперимента (размер измерительной базы, частота и продолжительность зондирующих акустических сигналов), так и к мощности источника акустических сигналов.
Определение оптимальных условий эксперимента, необходимых для успешной регистрации информативного сигнала, соответствующего частичному отражению звука от неоднородностей в атмосферном пограничном слое, является предметом данной работы. Эти условия включают в себя требования к мощности и частотному диапазону используемого акустического источника, а также присущие данному методу ограничения.
Для решения поставленной задачи мы попытались, во-первых, определить основные факторы, влияющие на ослабление сигнала на приемных микрофонах экспериментальной установки и зависимость этого ослабления как от параметров эксперимента (частота и длительность сигнала посылки, размер измерительной базы), так и от параметров отражающего слоя (сдвиг акустической скорости звука в слое, толщина и высота слоя). Во-вторых, мы исследовали уровень и частотный состав фоновых акустических шумов, характерных для той или иной местности.
Полученные результаты были в дальнейшем использованы нами для оценки предельных параметров отражающего слоя, которые можно определять акустическим методом частичных отражений при различных конфигурациях экспериментальной установки и применении различных источников зондирующих сигналов.
Одним из основных факторов, влияющих на ослабление информативного сигнала в методе частичных отражений, является сам эффект частичного отражения звука от ее слоистых неоднород-ностей. Долю отраженного сигнала определяет коэффициент частичного отражения.
В настоящее время имеются различные методы расчета поля давления, излучаемого точечным акустическим источником. К примеру, методы параболического уравнения [3, 4] и нормальных волн [5, 6] позволяют прогнозировать распространение акустических волн при произвольных типах стратификации температуры и ветра, произвольном импедансе подстилающей поверхно-
сти и произвольном рельефе местности. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов этими методами показывает хорошее согласие. Однако для поставленной в данной работе задачи удобней использовать решения акустических уравнений для моделей переходного и симметричного слоев Эпштейна [7, 8], используемых для аппроксимации реальных отражающих слоев. Определяющим здесь является наличие аналитических выражений для коэффициентов отражения и прозрачности слоя, а также экспериментальные вертикальные профили эффективной скорости звука, полученные независимыми методами (содар и температурный профилемер) хорошо аппроксимируются этими моделями [2] (см. также приведенное в [9] сравнение экспериментальных значений градиентов эффективной скорости звука с расчетными значениями тех же градиентов для различных аппроксимаций отражающего слоя).
Дополнительное ослабление акустического сигнала происходит как за счет сферической расходимости акустической волны, так и прочих факторов, таких как: молекулярное поглощение звуковых волн, влияние импеданса подстилающей поверхности и рассеяние звука на турбулентных неоднородностях.
Эффекты молекулярного поглощения подробно рассмотрены в [10] и имеют существенное влияние, в основном на распространение достаточно высокочастотного звука (частоты выше 100 Гц). Для частот ниже 100 Гц (как правило, используемых для зондирования методом частичных отражений) влияние молекулярной диссипации является несущественным.
Для представленных в данной работе оценок учитывалось импедансное затухание звуковых волн для условий волноводного распространения. Для этого мы использовали собственные экспериментальные данные об изменении амплитуды сигнала в зависимости от расстояния от источника. Полученные результаты сравнивались также с результатами аналогичных экспериментальных исследований, приведенных в работах [11-13].
В настоящей работе влияние локально однородной и изотропной турбулентности не учитывается по следующим причинам. Во-первых, для зондирования используются низкочастотные акустические сигналы с центральной частотой, как правило, меньшей 100 Гц. Для акустических волн в этом диапазоне частот влияние локально однородной и изотропной турбулентности минимально. Во-вторых, мы использовали для оценок данные экспериментов, полученные в наилучших условиях распространения акустических волн, вызванных наличием акустических волноводов. Такие условия возникают, как правило, при
eJJ
е
h
Источник Ps
Приемник
Рис. 1. Схема эксперимента по регистрации сигнала методом частичных отражений.
устойчивой стратификации атмосферы, когда и температура, и скорость ветра (вернее, проекция скорости ветра на направление источник-приемники) растут с высотой. В условиях устойчивой стратификации влияние локально однородной и изотропной турбулентности минимально.
Для учета влияния фоновых акустических шумов на разрешающую способность метода частичных отражений использовались наиболее чистые акустические записи (т.е. те записи, на которых отсутствует явное шумовое загрязнение, от таких источников, как автомобили, самолеты, поезда и др.), полученные авторами на различных измерительных площадках в различных частях страны.
ОСЛАБЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА, РЕГИСТРИРУЕМОГО НА ПРИЕМНЫХ МИКРОФОНАХ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Метод частичных отражений относится к классу бистатических акустических методов. Схема эксперимента представлена на рис. 1.
Приемные микрофоны, расположенные на расстоянии г от источника, регистрируют сигнал непосредственно от источника и с некоторой временной задержкой сигнал того же источника, отраженный от слоя неоднородности. Обычно для этого используют несколько приемных микрофонов, расположенных по схеме треугольной или многоугольной антенны, что позволяет также определить направление и вертикальный угол (или фазовую ск
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.