DE1965126C3 - Vorrichtung zur Ermittlung atmosphärischer Zustände - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung atmosphärischer Zustände mit einer einen getasteten Oszillator sowie elektroakustische Wandler und eine Auswerteschaltung enthaltende Sende- und Empfangseinrichtung zur periodischen Beaufschlagung der im wesentlichen senkrecht über der Sende- und Empfangseinrichtung befindlichen Atmosphäre mit ein bestimmtes Frequenzband umfassenden Schallimpulsen und zum Empfang der reflektierten Schallenergie in den Zeitintervallen zwischen den Schallimpulsen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 07 121 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung läßt sich zwar Art und Entfernung der nachgewiesenen atmosphärischen Erscheinung bestimmen, nicht jedocl deren Wandergeschwindigkeit.

Aus der FR-PS 14 83 404, der US-PS 25 04 126 um der US-PS 32 44 059 sind ebenfalls Vorrichtungen zun Aufzeichnen atmosphärischer Zustände durch Aussen den aufwärts gerichteter, periodischer Lichtimpulse au einem bestimmten Frequenzband und mit einen Wiederholungsintervall bekannt, das langer ist als di< Laufzeit eines von einem Ziel reflektierten Signals

ίο Außerdem besitzen die bekannten Vorrichtungen Mitte zum Empfangen der reflektierten Energie und Aufzeich nen bestimmter Meßwerte. Die US-PS 29 39 129unddi< US-PS 31 16 482 zeigen Geräte für die Erfassunj metereolischer Daten mit Hilfe von Radarimpulsen. Au; der DT-PS 9 57 070 und der Zeitschrift Electronic Engineering (1953), Seiten 451—455, ist es an sicr bekannt, bei Rückstrahlimpuls-Verfahren auch füi meterolisclie Zwecke akustische Energie zu verwenden Die AU-PS 2 10 867 zeigt schließlich eine Vorrichtuni zur Ermittiung von Richtung und Entfernung von Zieler unter Wasser, bei welcher periodische Impulse akusti scher Energie in einem bestimmten Frequenzband unc mit einem Wiederholungsintervall, das länger ist als die Laufzeit eines von einem Ziel reflektierten Signals ausgesendet werden, die reflektierte Energie empfan gen und Zeit und Richtung der zurückkommender Energie aufgezeichnet wird. Dabei wird ein rotierendei Wandler verwendet, welcher auf seinen beiden gegen überliegenden Flächen in je zwei Wandlerabschnitu unterteilt ist. Dort ist es auch bekannt, die Phasendiffe renz der zurückkommenden Signale zu analysieren. Mi' der zuletzt genannten, recht komplizierten Vorrichtung läßt sich unter Berücksichtigung der Phasendifferenz Analyse lediglich Richtung und Entfernung des Zielob jektes feststellen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein« Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen bei welcher sich mit einfachen Mitteln neben Höhe unc Dicke bestimmter atmosphärischer Zustände aucr deren Bewegung nach Geschwindigkeit und Richtung feststellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die elektroakustischen Wandler zu mehreren stationär in einer Ebene angeordneten Wandlergrupper zusammengefaßt sind, daß Schalteinrichtungen zui wechselweisen Verbindung der Wandlergruppen mi dem Ausgang des getasteten Oszillators bzw. den Eingang der Auswerteschaltung vorgesehen sind, unc daß die Auswerteschaltung Einrichtungen zur Bestim mung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssi gnalen bestimmter Wandlergruppen aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein« kontinuierliche Feststellung der zuvor erwähnten Datei über Höhe, Dicke und Wandergeschwindigkeit de atmosphärischen Zustände auf einfache und zuverlässi ge Weise möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat breite Anwendungsmöglichkeiten, mit ihr könnet unter anderem Turbulenzen aufgesprüht und gleichzei tig die Höhe, oberhalb welcher sie existieren, ermittel werden. Sie bietet mithin große Vorteile in Zusammen hang mit der Überwachung des Flugverkehrs, de Feststellung der Tiefe und Geschwindigkeit von Rauch oder Nebelfeldern, der Einmischung von Verschmutzun gen in die Atmosphäre und der wissenschaftliche!

Beobachtung atmosphärischer Veränderungen selbsl insbesondere dort, wo die Geschwindigkeit de beobachteten Objekte von Interesse ist. So kann sii beispielsweise für die Beobachtung des Durchzuge

einer Kaltfront, von See- und Landwindzirkulationen, Bergwindsystemen, Radioinversionen und tageszeitabhängigen thermischen Streifen benutzt werden. Speziell auf dem Gebiet der Feststellung der Klarluftturbulenzen bringt die erfindungsgemäfte Vorrichtung einen merklichen Fortschritt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich mittlere Windgeschwindigkeiten und Windrichtung bestimmen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der Zeichnung wird nachfolgend eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine elektroakustisch^ Sende- und Empfangseinrichtung mit vier Wandlergruppen mit seitlichen Abschirmungen zur Abschirmung des Grundgeräusches, die wechselweise mit einem Signal verbunden und auf Empfang geschaltet werden,

F i g. 2 in schema tischer Darstellung, wie das System unter Verwendung einer derartigen Anordnung Höhe, Geschwindigkeit und Richtung aufzeichnen kann,

F i g. 3 eine Aufzeichnung der Sonde von thermischen Zonen, die während eines Experimentes beobachtet wurden,

F i g. 4 eine Aufzeichnung einer durchziehenden Kaltfront und gleichzeitig die Aufzeichnung von Wind und Temperatur,

F i g. 5 die Aufzeichnung eines horizontalen Ausflusses kontinentaler Luft auf das Meer und

F i g. 6 eine Aufzeichnung aufbrechender Wellen in einer Strahlungsinversion.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 erkennt man eine Anzahl von elektroakustischen Wandlern 6, die an einer horizontalen oder nahezu horizontalen Fläche angeordnet sind. Die Wandler 6 sind in vier Wandlergruppen 1,2,3 und 4 angeordnet, damit sie in Intervallen starke Impulssignale aufwärts senden können. Zwischenwände 5 aus Holz oder anderem Material, die sich nach oben und außen erheben, bilden Boxen, die zur Reduzierung der Grundreflexion dienen. Das erzeugte Signal kann an alle Wandler 6 der Anordnungen angelegt und von allen Wandlern 6 empfangen werden. Andere Versionen dieses Schemas sind auch möglich, und zwar insbesondere zur Bestimmung der Windrichtung.

In einem Versuchsaufbau wurde eine Anordnung von 196 Stück Wandler 6 von etwa 20 cm Durchmesser in den Boxen verwendet, welche eine Spitzenimpulsleistung von 500 Watt abgeben. Zum Wetterschutz wurden dünne Plastikfolien über die Wandler 6 ausgespannt.

Anstelle einer übertragenen Einzelfrequenz können Frequenzbänder benutzt werden, wie beispielsweise das mehrfrequente »Zirpen«, welches man in der Radartechnik benutzt.

Solch ein System kann einfach als ein akustisches Radarsystem benutzt werden, welches die Höhe von Zielen, wie etwa einer Temperaturumkehr aufzeichnet. Wesentlich mehr Daten aber können durch ein System beobachtet werden, wie es unter spezieller Bezugnahme auf die F i g. 2 gezeigt ist, wo die Messung der Hauptwindgeschwindigkeit und der Richtung durch die Benutzung der Empfangswinkeltechnik durchgeführt wird.

In diesem System gelangt aufwärts gerichtete und von der Turbulenz zum Ausgangspunkt zurückgestreute Energie unter einem Vertikalwinkel zurück, welcher eine Funktion der Hauptwindgeschwindigkeit zur Turbulenzzone ist. Dieser kleine Winkel kann in den folgenden Wandlern gemessen werden zur Ermittlung eines Parameters, der eine Funktion der Hauptwindgeschwindigkeit ist. Unter Benutzung von vier Wandlergruppen 1,2,3 und 4, wie F i g. 1 zeigt, werden zunächst alle vier in der Betriebsart »Senden« betätigt, wobei Schalteinrichtungen (Relaisgruppen) S zur Umschaltung von »Senden« auf »Empfangen« benutzt werden. In der Betriebsart »Empfangen« ist jede der vier Wandlergruppen 1, 2, 3 und 4 mit einem separaten Mehrfachkoppler 7 verbunden, deren jeder, wie in F i g. 2 gezeigt, drei Ausgänge aufweist.

In der Betriebsart »Senden« werden die Wandler 6 durch einen Sender 8 betätigt, der durch einen Generator 9 getastet wird.

In der Betriebsart »Empfang« werden die Ausgänge wie folgt kombiniert:

1+2 + 3 + 4, 1+2,3 + 4:2 + 3 und 1+4.

Die Amplituden-Information (Aufbau und Höhe der Turbulenz usw.) wird durch die Kombination 1+2 + 3 + 4 erreicht und über einen Empfänger 11 in üblicher Weise zur Überprüfung der zu messenden Atmosphäre mittels eines Faksimile-Schreibers 10 aufgezeichnet.

Die Zeitverzögerung oder Phasendifferenz zwischen den Ausgängen 1+2 und 3 + 4 ist eine Funktion der N-S-Komponente des Windes und wird in dem N-S-Geschwindigkeitsdetektor 12 gemessen. Ähnlich werden die Ausgänge 2 + 3 und 1 + 4 in dem W-O-Geschwindigkeitsdetektor 13 zur Erzielung der W-O-Komponente der Windgeschwindigkeit gemessen.

Um dies zu erreichen, ist der Ausgang 1 + 2 mit einem Mischer 14 verbunden und durch' einen Festoszillator 15 in der Frequenz verändert. Die Zwischenfrequenz gelangt über einen Verstärker und einen Begrenzer 17 an einen Phasendetektor 16.

Der Ausgang 3 + 4 ist mit einem Mischer 18 verbunden und wird durch einen Oszillator 19 veränderlicher Frequenz in der Frequenz verändert. Der Ausgang des Mischers 18 gelangt über einen Verstärker und Begrenzer 20 an den Phasendetektor 16. Der Ausgang des Phasendetektors 16 wird durch einen Tiefpaß 21 gefiltert und zur Steuerung der Frequenz des Oszillators 19 herangezogen. Wenn die beiden Eingänge 1+2 und 3 + 4 in Phase sind (kein Wind), wird die Ausgangsgröße des Detektors 16 Null und die Frequenz und Phase der Oszillatoren 15 und 19 werden gleich, Herrscht Wind, so erscheint die Phasendifferenz in der Phasendifferenz zwischen den Oszillatoren 15 und 19 und diese Phase, die ein Maß für die Hauptwindgeschwindigkeit ist, wird in den linearen Phasendetektor 22 gemessen und auf einem Anzeigeinstrument 23 oder einem ähnlichen Analog-Aufzeichner abgelesen.

Ein ähnliches System umfaßt der W-O-Geschwindigkeitsdetektor 13, wodurch eine Windzusammensetzung gelesen werden kann, was Schlüsse auf die Richtung zuläßt.

Beispiele von Resultaten, welche durch die Vorrichtung der oben beschriebenen Art erzielt wurden, soller nun erläutert werden; sie sind in den Fig.3 bis (

dargestellt. . . . . .

B e 1 s ρ 1 e 1 1 (F 1 g. 3)

Dieses Beispiel demonstriert die Aufzeichnungen, di( beobachtet wurden, wenn thermische Schichten in dei Atmosphäre vorhanden sind.

In diesem Falle zeigte sich eine ziemlich gleichförmi ge Verteilung der Wiederkehr innerhalb der Gruppe von Schichten und die Echogruppen waren am Grunc

hart und breit, aber ließen nach oben hin nach und verjüngten sich bis zu einem Punkt, wo sie völlig aufhörten. Sie waren bis zum Vollausschlag des Instrumentes (300 m) ausgebreitet und wurden von Bereichen abgebauter oder nicht mehr wahrnehmbarer Echos umgeben. Die Dauer der Schichten war unterschiedlich und bewegte sich in einem Bereich von 10 Sek. bis zu 2 Minuten, was bei dem vorherrschenden Wind eine horizontale Ausdehnung von 70 bis 840 m ausmacht. Solche Schichten wurden während des Tages von'V-TIOQ bis 1500 CST ( = zentralamerikanische Ortszeit) beobachtet, erreichten eine maximale Auftrittshäufigkeit von 30 bis 40 pro Stunde während der heißesten Tageszeit und verschwanden schnell, als die Temperatur am Boden zum Abend hin zu sinken 'begann."' ·

Dieses Beispiel zeigt, daß die starken Echos den Reflexionen kurzfristiger Temperatureinbrüche entsprechen, die durch thermische Konvektion innerhalb des Kerns oder des superadiabatischen Bereiches der Schicht erzeugt sind. :

Beispiel .,2(Fig.4)

Dieses Beispiel zeigt Ergebnisse, die bei einem Versuch am äußersten südwestlichen Punkt der Insel Kangaroo in Süd-Australien gewonnen wurden. Hierzu kann man den Temperaturaüfbau bei Ozean-Umgebung studieren, wenn warme, trockene Ostluft vom Lande her über die See zieht. Der Aufstellungsort war auf einer nahegelegenen Halbinsel, welche mit 50 bis 60 m hohen Kliffen in die See hineinragt und eine recht gute Annäherung einer ozeanischen Umgebung darstellt. Ein Windmesser, eine Windfahne und ein Temperaturfühler waren in einer Höhe von 8 m über der Oberfläche angeordnet.

Am 8. Dezember 1968 lag das Zentrum des Hochdruckbereiches über Tasmania und West- auf Nord-Ost-Winde bliesen vom Kontinent her zu der Insel. Eine Niederdruckrinne lag nach Westen hin in der großen australischen Bucht und bewegte sich in Richtung der Insel.

Die gezeigte Schallaufzeichnung wurde vor, während und nach dem Durchzug der Führungskante der Front gemacht. Sie kann in drei Zeitabschnitten eingeteilt werden, und zwar 0435—0455, 0455—0508 und 0508-0515 CST.

In der ersten Periode kam der Wind an der Erdoberfläche von Osten und pendelte zwischen 2 und 12 m/s. Die mittlere Temperatur in 8 m Höhe betrug 16°C und bewegte sich zwischen 15°C und 20⁰C. Der Charakter der Temperaturaufzeichnung war sehr spitzig und zeigte Warmlufteinbrüche, die von oben her in die Kaltluft der Oberfläche eingeführt wurden.

Im Bereich 0455-0508 CST wuchs die mittlere Windgeschwindigkeit an und der Wind wendete von Osten auf Nordosten. Die Temperatur stieg rapide und die Aufzeichnung zeigte weiterhin spitzigen Charakter. Die Schallaufzeichnung zeigt, daß die Tiefe der turbulenten Mischung während dieser Zeit von 200 m auf etwa 50 m abnahm. Die vertikalen Schlieren auf der Aufzeichnung wurden durch mechanische Vibration durch harte Windstöße in der Luft verursacht. Die folgende Erläuterung bezieht sich auf die Schallaufzeichnung bis 0508 CST. Von 0435-0455 CST wurden die unteren 200 m der Luft, welche sich vom Kontinent her horizontal zur Sue bewegten, durch turbulente Mischung abgekühlt. Die Tiefe dieser Mischschicht ist durch die Schallaufzeichnung klar gezeigt nls Rückstrahlung von den Temperaturwechseln innerhalb der turbulenten Luft. Die Böenhaftigkeit des Windes und der Spitzenverlauf der Temperaturaufzeichnung zeigen, daß Luft aus einer Höhe von 200 m entgegen den aufsteigenden Kräften abwärts eingebracht wurde. Bei 0455 CST war die Kaltluft aufgezehrt und die Charakteristik der warmen, darüberziehenden Luft beherrschte augenscheinlich die Oberfläche.

Die Führungskante der Front passierte den Aufstellungsort um 0508 CST, wobei die Windgeschwindigkeit merklich nachließ, und die Windrichtung auf Südwest umsprang, während die Temperatur rapide absank (noch etwas oberhalb der Seetemperatur von 14°C)und nur noch geringe Änderungen zeigte. Der Druck stieg rasch um etwa 0,76 mm. Das Anwachsen der Höhe der Luftmassen-Grenzschicht ist aus der Schallaufzeichnung zu entnehmen als schräglaufendes Band von Rückläufen von der turbulenten Mischzonc durch die Grenzschicht. Man bemerke den relativ klaren Bereich unterhalb der Grenzschicht im Gegensatz zu dem ausgefüllten Bereich unterhalb 200 m von 0435—0450 CST. : ■. . .·.-■. ■-,- . -■,)-.. . . . . . ..':

Beispiel 3(Fig.5)

Am 11. Dezember 1968 blies der Wind in dem oben bezeichneten Gebiet mit.8 Knoten aus dem Nordosten vom Festland her. Unter diesen Umständen hatte die Luft einen langen Weg über den Kontinent und es trat eine beträchtliche Erwärmung auf. DieOberflächentemperatur an dem Kap betrug 18°C, und es wurden nur geringe Änderungen in der Größenordnung von 0,5⁰C aufgezeichnet. Entsprechend wurden auch nur geringe Änderungen der Windgeschwindigkeit registriert. Der Hochdruckbereich lag mit seinem Kern über Tasmania und als die in Fig.5 gezeigte Aufzeichnung erfolgte, war der Druck stetig. Der Bereich oberhalb von 120 m war rein von akustischen Rückläufern, was einer etwa laminaren Strömung in dieser Höhe entspricht. Die gut festliegende obere Grenze des turbulenten Mischbereiches (Oberbereich der Temperaturinversion) ist zu sehen; auch erkennt man eine gut umrissene untere Grenze zu der Zone heftiger Mischung zwischen der unteren Meeresluftmasse und der oberen Kontinentalluftmasse. Die Rückstrahlungen im Bereich der Meeresluftmasse rühren vermutlich von der Aufwärtsmischung der Kaltluft von der Meeresoberfläche her. Man bemerke die klaren Bereiche sofort unterhalb der Temperaturinversion. Dies bedeutet, daß der Luftfluß an diesen Stellen aufwärts zu der Inversionszonc gerichtet war. Die sinusförmige Bewegung der Inversionsschicht ist zwischen 1813 und 1826 CST besonders gut ausgeprägt.

Beispiel 4(Fig.6)

Diese Aufzeichnung entstand im Winter am 29. April 1969, als sich bei Salisbury in Süd-Australien über Nacht eine starke Strahlungsinvcrsion gebildet hatte. Die Maximaltempcratur des vorangegangenen Tages erreichte 24°C und die Minimaltempcratur von 9°C wurde um 0400 CST am 29. April 1969 aufzeichnet. Der Taupunkt wurde um 0200 CST am 29. April 1969 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt war der Wind in 10m mit 1 m/scc sehr schwach und kam aus dem Norden. Während des vorangegangenen Tages blies ein leichter Nord- bis Nordwestwind. Der akustische Wandler war in einem offenen, flachen Feld aufgestellt und die niichslgclcgcncn Bäume, Gebäude oder dergleichen waren 500 m entfernt. Das bedeutende

dieser Aufzeichnung sind die abreißenden Schwerkraftwellen, die sich in einer Höhe zwischen 100 und 230 m bei etwa 0225 CST zeigen. Während dies ein selten gutes Beispiel der abreißenden Wellenstruktur ist, können die charakteristischen Fischgrätenlinien (Linie der negati- s ven Schleife), die gewundene Amplitude der Welle, der V-förmige Zwischenbereich zwischen der Fischgrätenlinie und der Linie der positiven Schleife, und der relativ klare Bereich unterhalb der Amplitude der Welle in vielen Aufzeichnungen identifiziert werden, die unter der Bedingung von schwachem Wind und einem

beständigen Temperaturprofil aufgezeichnet wurden.

Aus dem Gesagten möge hervorgegangen sein, daß die Erfindung eine merkliche Verbesserung zur Ermittlung von „Zuständen in der Troposphäre bringt wobei die durch Benutzung eines akustischen Wandlers gewonnene Information zur Anwendung auf den verschiedensten Gebieten geeignet erscheinen läßt einschließlich solcher Anwendungen, wo Zustände ir der Luft, wie etwa das Vorhandensein von Nebel, Rauer und dergleichen, von Bedeutung ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 709637/

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ermittlung atmosphärischer Zustände mit einer einen gelasteten Oszillator sowie elektroakustische Wandler und eine Auswerteschaltung enthaltenden Sende- und Empfangseinrichtung zur periodischen Beaufschlagung der im wesentlichen senkrecht über der Sende- und Empfangseinrichtung befindlichen Atmosphäre mit ein bestimmtes Frequenzband umfassenden Schallimpulsen und zum Empfang der reflektierten Schallenergie in den Zeitintervallen zwischen den Schallimpulsen, d a durch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler (6) zu mehreren, stationär in einer Ebene angeordneten Wandlergruppen (1, 2, 3, 4) zusammengefaßt sind, daß Schalteinrichtungen (S) zur wechselweisen Verbindung der Wandlergruppen (1, 2, 3, 4) mit dem Ausgang des getasteten Oszillators (8, 9) bzw. dem Eingang der Auswerteschaltung (7, 12) vorgesehen sind, und daß die Auswerteschaltung (7, 12) Einrichtungen (14 bis 23) zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen bestimmter Wandlergruppen (1, 2,3,4) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz zwei jeweils von der Summe der Ausgangssignale mindestens zweier ausgewählter Wandlergruppen (1, 2 bzw. 3, 4) beaufschlagte Mischer (14 bzw. 18) enthalten, deren Ausgänge mit einem Phasendetektor (16) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Wandlergruppen (1,2,3,4) Mehrfachkoppler (7) nachgeschaltet sind, und daß Schaltungen (11) zur Zuführung der Summe der Ausgangssignale aller Wandlergruppen (1,2,3,4) zu einem Schreiber (10) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (S) zur gleichzeitigen Verbindung sämtlicher Wandergruppen (1, 2, 3, 4) mit dem Oszillator (8,9) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (8,9) eine mit 0,5 Hz getastete Schwingung von 950 Hz abgibt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Aufzeichnung des Ankunftswinkels der reflektierten Schallenergie relativ zur Senderichtung.